プラズマジェット点火プラグ
【課題】 高着火性及び高耐久性を有するプラズマジェット点火プラグを提供すること。
【解決手段】 このプラズマジェット点火プラグは、中心電極のうち少なくとも先端面を含む先端部が、少なくとも１種の希土類元素の酸化物とＷとを含有し、前記希土類元素の酸化物の合計含有率が０．５質量％以上１０質量％以下であり、Ｗの含有率が９０質量％以上であるか、或いは、Ｉｒを０．３質量％以上３質量％以下、かつＷを９７質量％以上含有する。
【解決手段】 このプラズマジェット点火プラグは、中心電極のうち少なくとも先端面を含む先端部が、少なくとも１種の希土類元素の酸化物とＷとを含有し、前記希土類元素の酸化物の合計含有率が０．５質量％以上１０質量％以下であり、Ｗの含有率が９０質量％以上であるか、或いは、Ｉｒを０．３質量％以上３質量％以下、かつＷを９７質量％以上含有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、プラズマジェット点火プラグに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば自動車用の内燃機関であるエンジンの点火プラグには、火花放電（単に「放電」ともいう。）により混合気への着火を行うスパークプラグが使用されている。近年では、内燃機関の高出力化や低燃費化が求められている。そのため、燃焼の広がりが速く、着火限界空燃比のより高い希薄混合気に対して確実に着火可能なプラズマジェット点火プラグの開発が進められている。
【０００３】
プラズマジェット点火プラグは、中心電極と接地電極との間の火花放電間隙の周囲をセラミックス等の絶縁碍子で包囲して、キャビティと称する小さな容積の放電空間を形成した構造を有している。プラズマジェット点火プラグの点火方式の一例を説明すると、混合気への点火の際には、まず、中心電極と接地電極との間に高電圧が印加され、火花放電が行われる。このときに生じた絶縁破壊によって、両者間には比較的低電圧で電流を流すことができるようになる。そこで更にエネルギーを供給することで放電状態を遷移させ、キャビティ内でプラズマを形成する。こうして形成されたプラズマが開口（いわゆるオリフィス）を通じて噴出されることによって、混合気への着火が行われる（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
ところで、前記プラズマジェット点火プラグでは、放電中に高エネルギーの電流を流す必要がある。高エネルギーの電流を流すと、電極の消耗が激しくなる。そこで、電極の消耗を抑制するための一つの試みとして、電極に高融点の材料を用いること等が行なわれている（例えば特許文献２参照。）。しかし、さらに電極の消耗が抑制された、高い耐久性を有するプラズマジェット点火プラグの開発が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２９４２５７号公報
【特許文献２】特開２００４−２３５０４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この発明は、高着火性及び高耐久性を有するプラズマジェット点火プラグを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための手段は、
（１）中心電極と、
軸線方向に延びる軸孔を有し、前記中心電極の先端面が前記軸孔内に配置されると共に前記中心電極を保持する絶縁体と、
前記絶縁体を保持する主体金具と、
前記主体金具に接合されると共に、前記絶縁体よりも先端側に配置され、前記中心電極との間で火花放電を行う接地電極とを備えたプラズマジェット点火プラグにおいて、
前記中心電極のうち少なくとも前記先端面を含む先端部は、少なくとも１種の希土類元素の酸化物とＷとを含有し、前記希土類元素の酸化物の合計含有率が０．５質量％以上１０質量％以下であり、Ｗの含有率が９０質量％以上であることを特徴とするプラズマジェット点火プラグである。
【０００８】
前記（１）の好ましい態様は、
（２）前記希土類元素の酸化物の含有率は、０．５質量％以上７質量％以下であり、
（３）前記中心電極は、前記希土類元素のうち、少なくともＬａ又はＹの酸化物を含有し、その合計含有率が０．５質量％以上５質量％以下であり、
（４）前記中心電極は、Ｉｒを０．３質量％以上３質量％以下含有し、前記希土類元素の酸化物とＩｒとＷとの合計含有率が１００質量％である。
【０００９】
前記課題を解決するための他の手段は、
（５） 中心電極と、
軸線方向に延びる軸孔を有し、前記中心電極の先端面が前記軸孔内に配置されると共に前記中心電極を保持する絶縁体と、
前記絶縁体を保持する主体金具と、
前記主体金具に接合されると共に、前記絶縁体よりも先端側に配置され、前記中心電極との間で火花放電を行う接地電極とを備えたプラズマジェット点火プラグにおいて、
前記中心電極のうち少なくとも前記先端面を含む先端部は、Ｉｒを０．３質量％以上３質量％以下、かつＷを９７質量％以上含有することを特徴とするプラズマジェット点火プラグである。
【００１０】
前記（１）及び（５）の好ましい態様は、
（６）前記接地電極は、Ｉｒを含有し、
（７）前記接地電極は、Ｉｒを１０質量％以上含有し、
（８）前記接地電極は、Ｉｒを９０質量％以上含有することを特徴とするプラズマジェット点火プラグである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明に係るプラズマジェット点火プラグは、中心電極のうち少なくとも先端面を含む先端部が、少なくとも１種の希土類元素の酸化物とＷとを特定割合で含有する、或いは、ＩｒとＷとを特定割合で含有するから、高着火性を確保するために高エネルギーの電流を流しても、中心電極の火花消耗量を抑制することができる。その結果、高着火性及び高耐久性を有するプラズマジェット点火プラグを提供することができる。
【００１２】
また、接地電極がＩｒを含有すると、より一層中心電極の火花消耗量を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、この発明に係るプラズマジェット点火プラグの一実施例であるプラズマジェット点火プラグの一部断面全体説明図である。
【図２】図２は、この発明に係るプラズマジェット点火プラグの一実施例であるプラズマジェット点火プラグの主要部分を示す断面説明図である。
【図３】図３は、Ｉｒ含有率が９０質量％の接地電極を備えたプラズマジェット点火プラグの中心電極の表面分析結果である。
【図４】図４は、Ｉｒ含有率が５質量％の接地電極を備えたプラズマジェット点火プラグの中心電極の表面分析結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
この発明に係るプラズマジェット点火プラグは、中心電極と、軸線方向に延びる軸孔を有し、前記中心電極の先端面が前記軸孔内に配置されると共に前記中心電極を保持する絶縁体と、前記絶縁体を保持する主体金具と、前記主体金具に接合されると共に、前記絶縁体よりも先端側に配置され、前記中心電極との間で火花放電を行う接地電極とを備えている。この発明に係るプラズマジェット点火プラグは、このような構成を有するプラズマジェット点火プラグであれば、その他の構成は特に限定されず、公知の種々の構成を採ることができる。
【００１５】
この発明に係るスプラズマジェット点火プラグの一実施例であるプラズマジェット点火プラグを図１に示す。図１はこの発明に係るプラズマジェット点火プラグの一実施例であるプラズマジェット点火プラグ１の一部断面全体説明図であり、図２はこの発明に係るプラズマジェット点火プラグの一実施例であるプラズマジェット点火プラグ１の主要部分を示す断面説明図である。なお、図１及び２では紙面下方を軸線Ｏの先端方向、紙面上方を軸線Ｏの後端方向として説明する。
【００１６】
このプラズマジェット点火プラグ１は、図１及び２に示されるように、軸線Ｏ方向に沿った軸孔３を有する略筒状の絶縁体４と、この絶縁体４の軸孔３内に収容される中心電極２と、絶縁体４の先端に配置される接地電極６と、絶縁体４の後端に設けられる端子金具２０と、絶縁体４を保持する主体金具５とを備えている。
【００１７】
前記絶縁体４は、周知のようにアルミナ等を焼成して形成される絶縁部材である。絶縁体４は、軸線Ｏ方向の略中央に外径が最も大きな鍔部７が形成されている。そして、鍔部７より先端側は、途中が段状となっていて、先端部分は外径がさらに小さくなっている。
【００１８】
前記中心電極２は、少なくともその先端面２１を含む先端部１０が後述する組成を有する電極材料で形成された略円柱状の電極棒である。中心電極２の内部に熱伝導性に優れる銅等からなる金属芯（図示せず）を有していてもよい。中心電極２は、胴体部８と、その胴体部８よりも先端側に位置する中間部９と、その中間部９よりも先端側に位置する先端部１０と、中間部９と先端部１０との間に位置する段差部１１とにより形成されている。中間部９の外径は、胴体部８の外径よりも小さくなっており、先端部１０の外径は、中間部９の外径よりも小さくなっている。胴体部８と中間部９との間は鍔状になっており、その鍔状の部分が、絶縁体４の軸孔３内における段状に形成された段状部１２に当接することにより、軸孔３内で中心電極２が位置決めされる。
【００１９】
また、絶縁体４の軸孔３を形成する部分における段状部１２よりも先端側は、中心電極２の中間部９を収容する収容部１３と、その収容部１３よりも先端側に位置し、中心電極２の先端部１０が配置される小径部１４と、収容部１３と小径部１４との間に位置する段部１５とにより形成されている。小径部１４の内径は、収容部１３の内径より小さくなっている。中心電極２の先端は、絶縁体４の小径部１４内において、絶縁体４の先端よりも後端側に位置しており、中心電極２の先端部１０特に先端面２１と小径部１４の内周とで包囲される容積の小さな空間は、放電空間を形成している。この放電空間はキャビティ１６と称される。
【００２０】
接地電極６は、耐火花消耗性に優れた金属で形成されており、後述する組成を有する電極材料又はこの電極材料以外の公知の材料で形成されればよい。中心電極２における消耗量を低減させるためには、接地電極６は後述する電極材料で形成されるのがよい。接地電極６は、例えば、厚さが０．３〜１ｍｍの円盤状の形状を有し、その中央に、キャビティ１６が外気と連通するように開口部１７を有している。接地電極６は、絶縁体４の先端に当接した状態で、主体金具５の先端の内周面に形成された係合部１８に係合されている。そして、接地電極６の外周縁が全周にわたって係合部１８と例えばレーザ溶接され、接地電極６は主体金具５と一体に接合されている。
【００２１】
中心電極２は、軸孔３の内部に設けられた、金属とガラスの混合物とからなる導電性のシール体１９を経由して、後端側の端子金具２０に電気的に接続されている。このシール体１９により、中心電極２及び端子金具２０は、軸孔３に固定されると共に導通される。端子金具２０にはプラグキャップ（図示せず。）を介して高圧ケーブル（図示せず。）が接続される。
【００２２】
前記主体金具５は、内燃機関（図示せず。）のエンジンヘッドにプラズマジェット点火プラグ１を固定するための略円筒形状の金具であり、絶縁体４を内装することにより絶縁体４を保持している。主体金具５は、プラグレンチ（図示せず。）が嵌合する工具係合部２３と、工具係合部２３よりも先端側の外周面に、内燃機関のエンジンヘッドに螺合するネジ部２２とを備えている。主体金具５は、導電性の鉄鋼材料、例えば、低炭素鋼により形成されることができる。
【００２３】
以上のような構造を有するプラズマジェット点火プラグ１では、例えば次のようにしてプラズマを形成し、混合気への着火が行なわれる。混合気への点火の際に、まず、中心電極２と接地電極６との間に高電圧を印加し、火花放電を行う。このときに生じる絶縁破壊によって、中心電極２と接地電極６との間には比較的低電圧で電流を流すことができるようになる。そこで更に、中心電極２と接地電極６との間に任意の出力を有する電源から３０〜２００ｍＪの高エネルギーの電流を供給することで放電状態を遷移させ、キャビティ１６内でプラズマを形成する。こうして形成されたプラズマが接地電極６に形成された開口部１７から噴出され、混合気への着火が行われる。
【００２４】
プラズマジェット点火プラグ１においては、中心電極２のうち少なくとも先端面２１を含む先端部１０が、後述する第１の組成又は第２の組成を有する。
【００２５】
（第１の組成）
前記中心電極２は、中心電極２のうち少なくとも先端面２１を含む先端部１０が、少なくとも１種の希土類元素の酸化物とタングステン（Ｗ）とを含有し、前記１種又は２種以上の希土類元素の酸化物の合計含有率が０．５質量％以上１０質量％以下であり、Ｗの含有率が９０質量％以上である。この組成を以下において、第１の組成と称する。
【００２６】
前記中心電極２のうち少なくとも先端面２１を含む先端部１０（先端面２１から軸線Ｏ方向に少なくとも０．３ｍｍまでの範囲）が、前記第１の組成を有すると、中心電極と接地電極とに高エネルギーの電流を供給しても中心電極２の火花消耗量を低減させることができる。その結果、着火性を確保しつつプラズマジェット点火プラグ１の耐久性を向上させることができる。
【００２７】
プラズマジェット点火プラグでは、上述したように点火の際に高エネルギーの電流が供給される。それによって電極の消耗量が激しくなるので、電極は融点の高い材料で形成されることが望ましい。タングステン（Ｗ）は、白金（Ｐｔ）やイリジウム（Ｉｒ）よりも高融点であるので、電極の材料として望ましいと考えられる。しかし、１００質量％のＷからなる電極よりも、特定量の希土類元素の酸化物を含有する電極の方が、電極の火花消耗量を低減できることを発明者らは見出した。
【００２８】
Ｗを１００質量％含有する中心電極が、Ｗが高融点であるにもかかわらず、予想よりも火花消耗量を低減させることができないのは、燃焼によって生じた炭素（Ｃ）が電極の表面におけるＷと反応してＷＣを生成し、このＷＣが電極表面から飛散し易いので、電極消耗量を促進してしまうと推定される。中心電極がＷを主成分として、特定量の希土類元素の酸化物を含有すると、電極表面に形成されるＷＣの生成が抑制され、その結果、電極表面からのＷＣの飛散が抑制されて電極消耗量が低減されると考えられる。
【００２９】
前記中心電極２のうち少なくとも先端面２１を含む先端部１０が第１の組成を有する。プラズマを生成させるために高エネルギーの電流を供給すると、キャビティ１６内にプラズマが形成されるので、キャビティ１６を形成する中心電極２の先端面２１は消耗量が特に激しくなる。したがって、中心電極２全体が前記第１の組成で形成されていてもよいが、消耗量の激しい中心電極２の先端部１０特に先端面２１が少なくとも前記第１の組成で形成されているとよい。以下において、中心電極２の組成について記載する際には、単に「中心電極」と記載するが、中心電極２の先端面２１のみ及び先端部１０のみが第１の組成を有する場合も含む。
【００３０】
前記希土類元素の酸化物としては、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｐｒ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｈｏ、Ｔｍ、及びＬｕの酸化物を挙げることができる。中心電極２は、Ｙ、Ｌａ及びＣｅから選択される少なくとも１種の酸化物を含有するのが好ましく、少なくともＬａ又はＹの酸化物を含有するのが特に好ましい。
【００３１】
前記中心電極２における前記希土類元素の酸化物の合計含有率は、０．５質量％以上１０質量％以下であり、０．５質量％以上７質量％以下であるのが好ましい。前記中心電極２が前記希土類元素のうち、少なくともＬａ又はＹの酸化物を含有する場合には、その合計含有率は０．５質量％以上５質量％以下であるのが好ましい。
【００３２】
前記中心電極２におけるＷの含有率は、９０質量％以上である。Ｗの含有率が９０質量％未満であると、中心電極の消耗量低減効果が見られない。
【００３３】
前記中心電極２は、９０質量％以上のＷと０．５質量％以上１０質量％以下の少なくとも１種の希土類元素の酸化物とを含有していればよく、この他にＩｒを含有してもよい。Ｉｒを０．３質量％以上３質量％以下の範囲内で含有すると、中心電極の消耗量を低減させるのにさらに効果的である。
【００３４】
前記中心電極２は、少なくとも１種の希土類元素の酸化物とＷと、所望により、Ｉｒを実質的に含有する。これらの各成分は、前述した各成分の含有率の範囲内で、これら各成分と不可避不純物との合計が１００質量％になるように含有される。前記成分以外の成分、例えば、Ｆｅ、Ｍｏ等が微量の不可避不純物として含有されることがある。これらの不可避不純物の含有量は少ない方が好ましいが、本願発明の目的を達成することができる範囲内で含有していてもよく、前述した成分の合計質量を１００質量部としたときに、前述した１種類の不可避不純物の割合は０．０１質量部以下、含有されるすべての種類の不可避不純物の合計割合は０．０５質量部以下であるのがよい。
【００３５】
（第２の組成）
前記中心電極２は、中心電極２のうち少なくとも先端面２１を含む先端部１０が、ＩｒとＷとを含有し、Ｉｒの含有率が０．３質量％以上３質量％以下、Ｗの含有率が９７質量％以上である。この組成を以下において、第２の組成と称する。
【００３６】
前記中心電極２のうち少なくとも先端面２１を含む先端部１０が、前記第２の組成を有すると、第１の組成の場合と同様に、中心電極と接地電極とに高エネルギーの電流を供給しても中心電極２の火花消耗量を低減させることができる。その結果、着火性を確保しつつプラズマジェット点火プラグ１の耐久性を向上させることができる。
【００３７】
前記中心電極２が、第２の組成を有する電極材料で形成される場合にも、第１の組成の場合と同様の作用により、電極表面からのＷＣの飛散が抑制されて電極消耗量が低減されると考えられる。
【００３８】
前記中心電極２におけるＩｒの含有率は、０．３質量％以上３質量％以下であり、０．３質量％以上１質量％以下であるのが好ましい。前記中心電極２におけるＷの含有率は、９７質量％以上である。Ｉｒ及びＷの含有率が前記範囲外にあると、中心電極の消耗量低減効果が見られない。
【００３９】
前記中心電極２は、９７質量％以上のＷと０．３質量％以上３質量％以下のＩｒとを含有していればよく、この他にＹ、Ｌａ、Ｃｅなどの希土類元素の酸化物を含有してもよい。少なくとも１種の希土類元素の酸化物を含有すると、中心電極の消耗量を低減させるのにさらに効果的である。
【００４０】
前記中心電極２は、ＩｒとＷと、所望により、少なくとも１種の希土類元素の酸化物とを実質的に含有する。これらの各成分は、前述した各成分の含有率の範囲内で、これら各成分と不可避不純物との合計が１００質量％になるように含有される。前記成分以外の成分、例えば、Ｆｅ、Ｍｏ等が微量の不可避不純物として含有されることがある。これらの不可避不純物の含有量は少ない方が好ましいが、本願発明の目的を達成することができる範囲内で含有していてもよく、前述した成分の合計質量を１００質量部としたときに、前述した１種類の不可避不純物の割合は０．０１質量部以下、含有されるすべての種類の不可避不純物の合計割合は０．０５質量部以下であるのがよい。
【００４１】
次に接地電極６を形成する電極材料について説明する。前記接地電極６は、電極材料を形成する公知の材料、例えば、インコネル（商標名）６００又は６０１等のＮｉ基合金により形成されればよいが、Ｉｒを含有するのが好ましい。接地電極６がＩｒを含有すると中心電極２の火花消耗量をより一層低減させることができる。
【００４２】
前記中心電極２がＷを主成分とする材料により形成されている場合には、前述したように、中心電極２の表面にＷＣが生成され易い。接地電極６にＩｒが含有されていると、プラズマ電流により消耗したＩｒ成分が中心電極表面に付着し、Ｗの融点に比較的近いＩｒはＷと結合し易いため、中心電極２の表面にＩｒとＷとの溶融層が形成され、この溶融層が保護膜として働いて電極表面から飛散し易いＷＣの生成が抑制されると推定される。その結果、中心電極２の表面からのＷＣの飛散が抑制されて電極消耗量が低減されると考えられる。
【００４３】
接地電極６におけるＩｒの含有率は、１０質量％以上であるのが好ましく、９０質量％以上であるのが特に好ましい。接地電極６におけるＩｒの含有率が前記範囲内にあると、より一層中心電極２の火花消耗量を低減させることができる。接地電極６におけるＩｒ以外の成分は特に限定されず、電極材料を形成する公知の材料、例えばインコネル６００を形成する成分等を挙げることができる。
【００４４】
前記中心電極２及び前記接地電極６を形成する材料の各成分の含有率は、次のようにして測定することができる。中心電極２と接地電極６とが対向する各面をそれぞれ０．１ｍｍ程度研磨して、この研磨面に対し、電子線プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）（例えば、ＪＥＯＬ社 ＪＸＡ−８５００Ｆ）を用い、加速電圧２０ｋＶ、ビーム電流：２．５×１０−８ｍＡ、スポット径：１００〜２００μｍの条件にて分析を行う。１つのサンプルに対して任意の異なる１０ヶ所に対し分析を行い、その測定値の平均値を算出し、その平均値を電極材料における各成分の含有率とする。
【００４５】
なお、中心電極２及び接地電極６は、所定の原料を所定の配合割合で配合して、以下に示すように製造される。製造された中心電極２及び接地電極６の組成は、原料の組成とほぼ一致する。したがって、中心電極２及び接地電極６を形成する各成分の含有率は、簡易的な方法として原料の配合割合からも算出することができる。
【００４６】
中心電極が第１の組成又は第２の組成を有すると、高着火性を確保するために高エネルギーの電流を流しても、中心電極の火花消耗量を抑制することができる。その結果、高着火性及び高耐久性を有するプラズマジェット点火プラグを提供することができる。
【００４７】
前記プラズマジェット点火プラグ１は、例えば次のようにして製造される。まず、前述した第１の組成又は第２の組成を有する電極材料を、希土類元素の酸化物とＷとＩｒとから適宜選択して特定の割合で溶解して、調整する。このようにして調整した電極材料を所定の形状に加工して中心電極２を作成する。なお、Ｎｉ基合金等の周知の電極材料で中心電極２となる電極棒を作成し、並行して前述した第１の組成又は第２の組成を有する円盤状のチップを作成して、例えばレーザ溶接により前記チップを電極棒の先端面に溶接して一体になるように形成してもよい。
【００４８】
接地電極６を形成する電極材料は、例えばインコネル６００と同様の組成を有する材料と特定量のＩｒとを溶解して、調整する。このようにして調整した電極材料を所定の形状に加工して接地電極６を作製する。電極材料の調整及び加工を連続して行うこともできる。例えば、真空溶解炉を用いて、所望の組成を有する合金の溶湯を調製し、真空鋳造にて各溶湯から鋳塊を調製した後、この鋳塊を、熱間加工、線引き加工等して、所定の形状及び所定の寸法に適宜調整して、中心電極２及び接地電極６を作製することができる。
【００４９】
次いで、セラミック等を所定の形状に焼成することによって絶縁体３を作製し、中心電極２を絶縁体４に公知の手法により組み付け、所定の形状に塑性加工等によって形成した主体金具５にこの絶縁体４を組み付ける。次いで、主体金具５の端面に設けた係合部１８に接地電極６を嵌合させて、電気抵抗溶接又はレーザ溶接等によって接合する。このようにして、プラズマジェット点火プラグ１が製造される。
【００５０】
本発明に係るプラズマジェット点火プラグは、自動車用の内燃機関例えばガソリンエンジン等の点火栓として使用され、内燃機関の燃焼室を区画形成するヘッド（図示せず）に設けられたネジ穴に前記ネジ部２２が螺合されて、所定の位置に固定される。この発明に係るプラズマジェット点火プラグは、如何なる内燃機関にも使用することができるが、高エネルギーの電流を流しても電極の消耗量を抑制することができるから、特に空燃比の高い内燃機関に好適に使用されることができる。
【００５１】
この発明に係るプラズマジェット点火プラグ１は、前記した実施例に限定されることはなく、本願発明の目的を達成することができる範囲において、種々の変更が可能である。すなわち、中心電極と接地電極との間に高電圧が印加され、火花放電が行われ、そこに更にエネルギーを供給することで放電状態を遷移させ、プラズマを形成する方法又はこれ以外の方法によりプラズマを形成するプラグであれば、中心電極や接地電極の構成、形状に限定されるものではない。
【実施例】
【００５２】
＜プラズマジェット点火プラグの作製＞
通常の真空溶解炉を用いて、表１〜９に示す組成（質量％）を有する合金の溶湯を調製し、真空鋳造にて各溶湯から鋳塊を調製した。その後、この鋳塊を熱間鋳造にて丸棒とした。この丸棒を押し出し加工等の塑性加工後に線引き加工、塑性加工等を施し直径４ｍｍの線材とし、プラズマジェット点火プラグの中心電極に作製した。また、Ｉｒが表４〜７、９に示す割合で含有され、残部がＮｉである合金の溶湯と、Ｉｒを実質的に含有しないＮｉの合金の溶湯とを調製し、中心電極を作製する場合と同様にして、中心部に開口部を有する円盤状の接地電極を作製した。なお、表中の希土類元素は酸化物換算での全体の質量に対する質量割合を示す。
【００５３】
そして、公知の手法により、セラミックで形成された絶縁体に前記中心電極を組み付け、この絶縁体を主体金具に組み付けた。主体金具の一端面に設けた係合部に前記接地電極の全周を接合し、プラズマジェット点火プラグを製造した。
【００５４】
なお、製造されたプラズマジェット点火プラグのねじ径はＭ１２であり、中心電極の先端面から接地電極の内面までの長さ（キャビティの長さ）は１ｍｍ、絶縁体の軸孔における先端部の内径（キャビティの内径）は１ｍｍ、接地電極の開口部の内径は１ｍｍであった。
【００５５】
＜耐久性試験の方法＞
前述のように製造したプラズマジェット点火プラグを、４気筒、２．０Ｌのエンジンに取り付け、エンジン回転数７２０ｒｐｍの状態を維持し、５０時間又は１００時間の運転を行った。なお、電極にプラズマエネルギー８０ｍＪの電流を流してプラズマを形成させた。
【００５６】
＜耐久性の評価＞
（中心電極が第１の組成を有する場合）
表１に示す組成の中心電極及びＮｉ合金からなる接地電極を備えたプラズマジェット点火プラグの耐久性は、耐久性試験の前後における中心電極の体積の減少量を測定し、１時間当たりの体積の減少量を消耗量として算出し、以下の基準に基づいて評価した。
×：基準となる組成を有する中心電極の消耗量に対して消耗量が大きい場合。
△：基準となる組成を有する中心電極の消耗量に対して消耗量が２／３より大きく１以下の場合。
○：基準となる組成を有する中心電極の消耗量に対して消耗量が１／３より大きく２／３以下の場合。
◎：基準となる組成を有する中心電極の消耗量に対して消耗量が１／３以下の場合。
【００５７】
【表１】
【００５８】
表２及び３に示す組成の中心電極及びＮｉ合金からなる接地電極を備えたプラズマジェット点火プラグの耐久性は、耐久性試験の前後における中心電極の体積の減少量を測定し、１時間当たりの体積の減少量を消耗量として算出し、以下の基準に基づいて評価した。
×：基準となる組成を有する中心電極の消耗量に対して消耗量が同じ又は大きい場合。
○：基準となる組成を有する中心電極の消耗量に対して消耗量が小さい場合。
【００５９】
【表２】
【００６０】
【表３】
【００６１】
（中心電極が第１の組成、接地電極がＩｒを含む場合）
表４〜７に示す組成の中心電極及び接地電極を備えたプラズマジェット点火プラグの耐久性は、耐久性試験の前後における中心電極の体積の減少量を測定し、１時間当たりの体積の減少量を消耗量として算出し、以下の基準に基づいて評価した。
×：基準となる組成を有する中心電極の消耗量に対して消耗量低減割合が２５％未満の場合。
△：基準となる組成を有する中心電極の消耗量に対して消耗量低減割合が２５％以上５０％未満の場合。
○：基準となる組成を有する中心電極の消耗量に対して消耗量低減割合が５０％以上の場合。
【００６２】
【表４】
【００６３】
【表５】
【００６４】
【表６】
【００６５】
【表７】
【００６６】
（中心電極が第２の組成を有する場合）
表８に示す組成を有する中心電極及びＮｉ合金からなる接地電極を備えたプラズマジェット点火プラグの耐久性は、表１の場合と同様にして評価した。
【００６７】
【表８】
【００６８】
（中心電極が第２の組成、接地電極がＩｒを含む場合）
表９に示す組成を有する中心電極及び接地電極を備えたプラズマジェット点火プラグの耐久性は、表４の場合と同様にして評価した。
【００６９】
【表９】
【００７０】
本願発明の範囲に含まれる組成を有する中心電極を備えたプラズマジェット点火プラグは、表１〜９に示されるように、中心電極の消耗量を抑制することができた。
【００７１】
一方、本願発明の範囲外にある組成を有する中心電極を備えたプラズマジェット点火プラグは、表１及び８に示されるように、１００質量％のＷからなる中心電極に対して中心電極の消耗量を低減させることができなかった。
【００７２】
表１における比較例は、希土類元素の酸化物の含有率及び／又はＷの含有率が本願発明の範囲外にあり、表８における比較例は、Ｉｒの含有率及び／又はＷの含有率が本願発明の範囲外にあり、いずれも１００質量％のＷからなる中心電極に対して中心電極の消耗量を低減させることができなかった。表２及び３に示されるように、中心電極が希土類元素の酸化物とＷと、さらに特定量のＩｒを含有すると、より一層中心電極の消耗量を低減させることができた。
【００７３】
表４〜７及び９に示されるように、本願発明の範囲内に含まれる組成を有する中心電極を備えたプラズマジェット点火プラグは、さらに接地電極がＩｒを含有すると、より一層中心電極の消耗量を低減させることができた。
【００７４】
（中心電極の表面分析）
試料Ｎｏ．１２１及びＮｏ．１１７の組成を有する中心電極及び接地電極を備えたプラズマジェット点火プラグを耐久性試験と同一の条件で試験を行った後に、中心電極先端部を軸線方向に切断して、切断面の表面分析を電子線プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）（ＪＥＯＬ社 ＪＸＡ−８５００Ｆ）により、加速電圧２０ｋＶ、ビーム電流：２．５×１０−８ｍＡ、スポット径：１００〜２００μｍの条件にて行った。結果を図３及び４に示す。
【００７５】
図３は、Ｉｒ含有率が９０質量％の接地電極を備えたプラズマジェット点火プラグの中心電極の表面分析結果であり、図４は、Ｉｒ含有率が５質量％の接地電極を備えたプラズマジェット点火プラグの中心電極の表面分析結果である。図３に示されるように、Ｉｒ含有率が９０質量％の接地電極を備えたプラズマジェット点火プラグの中心電極の先端部には、Ｉｒが検出された。この結果から、中心電極の先端部にＷ−Ｉｒ合金の溶融層が形成され、この溶融層が保護膜として働き、Ｗ成分の飛散を抑制していると考えられる。図４に示されるように、Ｉｒ含有率が５質量％の接地電極の場合には、中心電極の先端部にＩｒが検出されなかった。したがって、中心電極の先端部にＷ−Ｉｒ合金の溶融層が形成されなかったと判断される。
【符号の説明】
【００７６】
１ プラズマジェット点火プラグ
２ 中心電極
３ 軸孔
４ 絶縁体
５ 主体金具
６ 接地電極
７ 鍔部
８ 胴体部
９ 中間部
１０ 先端部
１１ 段差部
１２ 段状部
１３ 収容部
１４ 小径部
１５ 段部
１６ キャビティ
１７ 開口部
１８ 係合部
１９シール体
２０ 端子金具
２１ 先端面
２２ ネジ部
２３ 工具係合部
【技術分野】
【０００１】
この発明は、プラズマジェット点火プラグに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば自動車用の内燃機関であるエンジンの点火プラグには、火花放電（単に「放電」ともいう。）により混合気への着火を行うスパークプラグが使用されている。近年では、内燃機関の高出力化や低燃費化が求められている。そのため、燃焼の広がりが速く、着火限界空燃比のより高い希薄混合気に対して確実に着火可能なプラズマジェット点火プラグの開発が進められている。
【０００３】
プラズマジェット点火プラグは、中心電極と接地電極との間の火花放電間隙の周囲をセラミックス等の絶縁碍子で包囲して、キャビティと称する小さな容積の放電空間を形成した構造を有している。プラズマジェット点火プラグの点火方式の一例を説明すると、混合気への点火の際には、まず、中心電極と接地電極との間に高電圧が印加され、火花放電が行われる。このときに生じた絶縁破壊によって、両者間には比較的低電圧で電流を流すことができるようになる。そこで更にエネルギーを供給することで放電状態を遷移させ、キャビティ内でプラズマを形成する。こうして形成されたプラズマが開口（いわゆるオリフィス）を通じて噴出されることによって、混合気への着火が行われる（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
ところで、前記プラズマジェット点火プラグでは、放電中に高エネルギーの電流を流す必要がある。高エネルギーの電流を流すと、電極の消耗が激しくなる。そこで、電極の消耗を抑制するための一つの試みとして、電極に高融点の材料を用いること等が行なわれている（例えば特許文献２参照。）。しかし、さらに電極の消耗が抑制された、高い耐久性を有するプラズマジェット点火プラグの開発が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２９４２５７号公報
【特許文献２】特開２００４−２３５０４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この発明は、高着火性及び高耐久性を有するプラズマジェット点火プラグを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための手段は、
（１）中心電極と、
軸線方向に延びる軸孔を有し、前記中心電極の先端面が前記軸孔内に配置されると共に前記中心電極を保持する絶縁体と、
前記絶縁体を保持する主体金具と、
前記主体金具に接合されると共に、前記絶縁体よりも先端側に配置され、前記中心電極との間で火花放電を行う接地電極とを備えたプラズマジェット点火プラグにおいて、
前記中心電極のうち少なくとも前記先端面を含む先端部は、少なくとも１種の希土類元素の酸化物とＷとを含有し、前記希土類元素の酸化物の合計含有率が０．５質量％以上１０質量％以下であり、Ｗの含有率が９０質量％以上であることを特徴とするプラズマジェット点火プラグである。
【０００８】
前記（１）の好ましい態様は、
（２）前記希土類元素の酸化物の含有率は、０．５質量％以上７質量％以下であり、
（３）前記中心電極は、前記希土類元素のうち、少なくともＬａ又はＹの酸化物を含有し、その合計含有率が０．５質量％以上５質量％以下であり、
（４）前記中心電極は、Ｉｒを０．３質量％以上３質量％以下含有し、前記希土類元素の酸化物とＩｒとＷとの合計含有率が１００質量％である。
【０００９】
前記課題を解決するための他の手段は、
（５） 中心電極と、
軸線方向に延びる軸孔を有し、前記中心電極の先端面が前記軸孔内に配置されると共に前記中心電極を保持する絶縁体と、
前記絶縁体を保持する主体金具と、
前記主体金具に接合されると共に、前記絶縁体よりも先端側に配置され、前記中心電極との間で火花放電を行う接地電極とを備えたプラズマジェット点火プラグにおいて、
前記中心電極のうち少なくとも前記先端面を含む先端部は、Ｉｒを０．３質量％以上３質量％以下、かつＷを９７質量％以上含有することを特徴とするプラズマジェット点火プラグである。
【００１０】
前記（１）及び（５）の好ましい態様は、
（６）前記接地電極は、Ｉｒを含有し、
（７）前記接地電極は、Ｉｒを１０質量％以上含有し、
（８）前記接地電極は、Ｉｒを９０質量％以上含有することを特徴とするプラズマジェット点火プラグである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明に係るプラズマジェット点火プラグは、中心電極のうち少なくとも先端面を含む先端部が、少なくとも１種の希土類元素の酸化物とＷとを特定割合で含有する、或いは、ＩｒとＷとを特定割合で含有するから、高着火性を確保するために高エネルギーの電流を流しても、中心電極の火花消耗量を抑制することができる。その結果、高着火性及び高耐久性を有するプラズマジェット点火プラグを提供することができる。
【００１２】
また、接地電極がＩｒを含有すると、より一層中心電極の火花消耗量を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、この発明に係るプラズマジェット点火プラグの一実施例であるプラズマジェット点火プラグの一部断面全体説明図である。
【図２】図２は、この発明に係るプラズマジェット点火プラグの一実施例であるプラズマジェット点火プラグの主要部分を示す断面説明図である。
【図３】図３は、Ｉｒ含有率が９０質量％の接地電極を備えたプラズマジェット点火プラグの中心電極の表面分析結果である。
【図４】図４は、Ｉｒ含有率が５質量％の接地電極を備えたプラズマジェット点火プラグの中心電極の表面分析結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
この発明に係るプラズマジェット点火プラグは、中心電極と、軸線方向に延びる軸孔を有し、前記中心電極の先端面が前記軸孔内に配置されると共に前記中心電極を保持する絶縁体と、前記絶縁体を保持する主体金具と、前記主体金具に接合されると共に、前記絶縁体よりも先端側に配置され、前記中心電極との間で火花放電を行う接地電極とを備えている。この発明に係るプラズマジェット点火プラグは、このような構成を有するプラズマジェット点火プラグであれば、その他の構成は特に限定されず、公知の種々の構成を採ることができる。
【００１５】
この発明に係るスプラズマジェット点火プラグの一実施例であるプラズマジェット点火プラグを図１に示す。図１はこの発明に係るプラズマジェット点火プラグの一実施例であるプラズマジェット点火プラグ１の一部断面全体説明図であり、図２はこの発明に係るプラズマジェット点火プラグの一実施例であるプラズマジェット点火プラグ１の主要部分を示す断面説明図である。なお、図１及び２では紙面下方を軸線Ｏの先端方向、紙面上方を軸線Ｏの後端方向として説明する。
【００１６】
このプラズマジェット点火プラグ１は、図１及び２に示されるように、軸線Ｏ方向に沿った軸孔３を有する略筒状の絶縁体４と、この絶縁体４の軸孔３内に収容される中心電極２と、絶縁体４の先端に配置される接地電極６と、絶縁体４の後端に設けられる端子金具２０と、絶縁体４を保持する主体金具５とを備えている。
【００１７】
前記絶縁体４は、周知のようにアルミナ等を焼成して形成される絶縁部材である。絶縁体４は、軸線Ｏ方向の略中央に外径が最も大きな鍔部７が形成されている。そして、鍔部７より先端側は、途中が段状となっていて、先端部分は外径がさらに小さくなっている。
【００１８】
前記中心電極２は、少なくともその先端面２１を含む先端部１０が後述する組成を有する電極材料で形成された略円柱状の電極棒である。中心電極２の内部に熱伝導性に優れる銅等からなる金属芯（図示せず）を有していてもよい。中心電極２は、胴体部８と、その胴体部８よりも先端側に位置する中間部９と、その中間部９よりも先端側に位置する先端部１０と、中間部９と先端部１０との間に位置する段差部１１とにより形成されている。中間部９の外径は、胴体部８の外径よりも小さくなっており、先端部１０の外径は、中間部９の外径よりも小さくなっている。胴体部８と中間部９との間は鍔状になっており、その鍔状の部分が、絶縁体４の軸孔３内における段状に形成された段状部１２に当接することにより、軸孔３内で中心電極２が位置決めされる。
【００１９】
また、絶縁体４の軸孔３を形成する部分における段状部１２よりも先端側は、中心電極２の中間部９を収容する収容部１３と、その収容部１３よりも先端側に位置し、中心電極２の先端部１０が配置される小径部１４と、収容部１３と小径部１４との間に位置する段部１５とにより形成されている。小径部１４の内径は、収容部１３の内径より小さくなっている。中心電極２の先端は、絶縁体４の小径部１４内において、絶縁体４の先端よりも後端側に位置しており、中心電極２の先端部１０特に先端面２１と小径部１４の内周とで包囲される容積の小さな空間は、放電空間を形成している。この放電空間はキャビティ１６と称される。
【００２０】
接地電極６は、耐火花消耗性に優れた金属で形成されており、後述する組成を有する電極材料又はこの電極材料以外の公知の材料で形成されればよい。中心電極２における消耗量を低減させるためには、接地電極６は後述する電極材料で形成されるのがよい。接地電極６は、例えば、厚さが０．３〜１ｍｍの円盤状の形状を有し、その中央に、キャビティ１６が外気と連通するように開口部１７を有している。接地電極６は、絶縁体４の先端に当接した状態で、主体金具５の先端の内周面に形成された係合部１８に係合されている。そして、接地電極６の外周縁が全周にわたって係合部１８と例えばレーザ溶接され、接地電極６は主体金具５と一体に接合されている。
【００２１】
中心電極２は、軸孔３の内部に設けられた、金属とガラスの混合物とからなる導電性のシール体１９を経由して、後端側の端子金具２０に電気的に接続されている。このシール体１９により、中心電極２及び端子金具２０は、軸孔３に固定されると共に導通される。端子金具２０にはプラグキャップ（図示せず。）を介して高圧ケーブル（図示せず。）が接続される。
【００２２】
前記主体金具５は、内燃機関（図示せず。）のエンジンヘッドにプラズマジェット点火プラグ１を固定するための略円筒形状の金具であり、絶縁体４を内装することにより絶縁体４を保持している。主体金具５は、プラグレンチ（図示せず。）が嵌合する工具係合部２３と、工具係合部２３よりも先端側の外周面に、内燃機関のエンジンヘッドに螺合するネジ部２２とを備えている。主体金具５は、導電性の鉄鋼材料、例えば、低炭素鋼により形成されることができる。
【００２３】
以上のような構造を有するプラズマジェット点火プラグ１では、例えば次のようにしてプラズマを形成し、混合気への着火が行なわれる。混合気への点火の際に、まず、中心電極２と接地電極６との間に高電圧を印加し、火花放電を行う。このときに生じる絶縁破壊によって、中心電極２と接地電極６との間には比較的低電圧で電流を流すことができるようになる。そこで更に、中心電極２と接地電極６との間に任意の出力を有する電源から３０〜２００ｍＪの高エネルギーの電流を供給することで放電状態を遷移させ、キャビティ１６内でプラズマを形成する。こうして形成されたプラズマが接地電極６に形成された開口部１７から噴出され、混合気への着火が行われる。
【００２４】
プラズマジェット点火プラグ１においては、中心電極２のうち少なくとも先端面２１を含む先端部１０が、後述する第１の組成又は第２の組成を有する。
【００２５】
（第１の組成）
前記中心電極２は、中心電極２のうち少なくとも先端面２１を含む先端部１０が、少なくとも１種の希土類元素の酸化物とタングステン（Ｗ）とを含有し、前記１種又は２種以上の希土類元素の酸化物の合計含有率が０．５質量％以上１０質量％以下であり、Ｗの含有率が９０質量％以上である。この組成を以下において、第１の組成と称する。
【００２６】
前記中心電極２のうち少なくとも先端面２１を含む先端部１０（先端面２１から軸線Ｏ方向に少なくとも０．３ｍｍまでの範囲）が、前記第１の組成を有すると、中心電極と接地電極とに高エネルギーの電流を供給しても中心電極２の火花消耗量を低減させることができる。その結果、着火性を確保しつつプラズマジェット点火プラグ１の耐久性を向上させることができる。
【００２７】
プラズマジェット点火プラグでは、上述したように点火の際に高エネルギーの電流が供給される。それによって電極の消耗量が激しくなるので、電極は融点の高い材料で形成されることが望ましい。タングステン（Ｗ）は、白金（Ｐｔ）やイリジウム（Ｉｒ）よりも高融点であるので、電極の材料として望ましいと考えられる。しかし、１００質量％のＷからなる電極よりも、特定量の希土類元素の酸化物を含有する電極の方が、電極の火花消耗量を低減できることを発明者らは見出した。
【００２８】
Ｗを１００質量％含有する中心電極が、Ｗが高融点であるにもかかわらず、予想よりも火花消耗量を低減させることができないのは、燃焼によって生じた炭素（Ｃ）が電極の表面におけるＷと反応してＷＣを生成し、このＷＣが電極表面から飛散し易いので、電極消耗量を促進してしまうと推定される。中心電極がＷを主成分として、特定量の希土類元素の酸化物を含有すると、電極表面に形成されるＷＣの生成が抑制され、その結果、電極表面からのＷＣの飛散が抑制されて電極消耗量が低減されると考えられる。
【００２９】
前記中心電極２のうち少なくとも先端面２１を含む先端部１０が第１の組成を有する。プラズマを生成させるために高エネルギーの電流を供給すると、キャビティ１６内にプラズマが形成されるので、キャビティ１６を形成する中心電極２の先端面２１は消耗量が特に激しくなる。したがって、中心電極２全体が前記第１の組成で形成されていてもよいが、消耗量の激しい中心電極２の先端部１０特に先端面２１が少なくとも前記第１の組成で形成されているとよい。以下において、中心電極２の組成について記載する際には、単に「中心電極」と記載するが、中心電極２の先端面２１のみ及び先端部１０のみが第１の組成を有する場合も含む。
【００３０】
前記希土類元素の酸化物としては、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｐｒ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｈｏ、Ｔｍ、及びＬｕの酸化物を挙げることができる。中心電極２は、Ｙ、Ｌａ及びＣｅから選択される少なくとも１種の酸化物を含有するのが好ましく、少なくともＬａ又はＹの酸化物を含有するのが特に好ましい。
【００３１】
前記中心電極２における前記希土類元素の酸化物の合計含有率は、０．５質量％以上１０質量％以下であり、０．５質量％以上７質量％以下であるのが好ましい。前記中心電極２が前記希土類元素のうち、少なくともＬａ又はＹの酸化物を含有する場合には、その合計含有率は０．５質量％以上５質量％以下であるのが好ましい。
【００３２】
前記中心電極２におけるＷの含有率は、９０質量％以上である。Ｗの含有率が９０質量％未満であると、中心電極の消耗量低減効果が見られない。
【００３３】
前記中心電極２は、９０質量％以上のＷと０．５質量％以上１０質量％以下の少なくとも１種の希土類元素の酸化物とを含有していればよく、この他にＩｒを含有してもよい。Ｉｒを０．３質量％以上３質量％以下の範囲内で含有すると、中心電極の消耗量を低減させるのにさらに効果的である。
【００３４】
前記中心電極２は、少なくとも１種の希土類元素の酸化物とＷと、所望により、Ｉｒを実質的に含有する。これらの各成分は、前述した各成分の含有率の範囲内で、これら各成分と不可避不純物との合計が１００質量％になるように含有される。前記成分以外の成分、例えば、Ｆｅ、Ｍｏ等が微量の不可避不純物として含有されることがある。これらの不可避不純物の含有量は少ない方が好ましいが、本願発明の目的を達成することができる範囲内で含有していてもよく、前述した成分の合計質量を１００質量部としたときに、前述した１種類の不可避不純物の割合は０．０１質量部以下、含有されるすべての種類の不可避不純物の合計割合は０．０５質量部以下であるのがよい。
【００３５】
（第２の組成）
前記中心電極２は、中心電極２のうち少なくとも先端面２１を含む先端部１０が、ＩｒとＷとを含有し、Ｉｒの含有率が０．３質量％以上３質量％以下、Ｗの含有率が９７質量％以上である。この組成を以下において、第２の組成と称する。
【００３６】
前記中心電極２のうち少なくとも先端面２１を含む先端部１０が、前記第２の組成を有すると、第１の組成の場合と同様に、中心電極と接地電極とに高エネルギーの電流を供給しても中心電極２の火花消耗量を低減させることができる。その結果、着火性を確保しつつプラズマジェット点火プラグ１の耐久性を向上させることができる。
【００３７】
前記中心電極２が、第２の組成を有する電極材料で形成される場合にも、第１の組成の場合と同様の作用により、電極表面からのＷＣの飛散が抑制されて電極消耗量が低減されると考えられる。
【００３８】
前記中心電極２におけるＩｒの含有率は、０．３質量％以上３質量％以下であり、０．３質量％以上１質量％以下であるのが好ましい。前記中心電極２におけるＷの含有率は、９７質量％以上である。Ｉｒ及びＷの含有率が前記範囲外にあると、中心電極の消耗量低減効果が見られない。
【００３９】
前記中心電極２は、９７質量％以上のＷと０．３質量％以上３質量％以下のＩｒとを含有していればよく、この他にＹ、Ｌａ、Ｃｅなどの希土類元素の酸化物を含有してもよい。少なくとも１種の希土類元素の酸化物を含有すると、中心電極の消耗量を低減させるのにさらに効果的である。
【００４０】
前記中心電極２は、ＩｒとＷと、所望により、少なくとも１種の希土類元素の酸化物とを実質的に含有する。これらの各成分は、前述した各成分の含有率の範囲内で、これら各成分と不可避不純物との合計が１００質量％になるように含有される。前記成分以外の成分、例えば、Ｆｅ、Ｍｏ等が微量の不可避不純物として含有されることがある。これらの不可避不純物の含有量は少ない方が好ましいが、本願発明の目的を達成することができる範囲内で含有していてもよく、前述した成分の合計質量を１００質量部としたときに、前述した１種類の不可避不純物の割合は０．０１質量部以下、含有されるすべての種類の不可避不純物の合計割合は０．０５質量部以下であるのがよい。
【００４１】
次に接地電極６を形成する電極材料について説明する。前記接地電極６は、電極材料を形成する公知の材料、例えば、インコネル（商標名）６００又は６０１等のＮｉ基合金により形成されればよいが、Ｉｒを含有するのが好ましい。接地電極６がＩｒを含有すると中心電極２の火花消耗量をより一層低減させることができる。
【００４２】
前記中心電極２がＷを主成分とする材料により形成されている場合には、前述したように、中心電極２の表面にＷＣが生成され易い。接地電極６にＩｒが含有されていると、プラズマ電流により消耗したＩｒ成分が中心電極表面に付着し、Ｗの融点に比較的近いＩｒはＷと結合し易いため、中心電極２の表面にＩｒとＷとの溶融層が形成され、この溶融層が保護膜として働いて電極表面から飛散し易いＷＣの生成が抑制されると推定される。その結果、中心電極２の表面からのＷＣの飛散が抑制されて電極消耗量が低減されると考えられる。
【００４３】
接地電極６におけるＩｒの含有率は、１０質量％以上であるのが好ましく、９０質量％以上であるのが特に好ましい。接地電極６におけるＩｒの含有率が前記範囲内にあると、より一層中心電極２の火花消耗量を低減させることができる。接地電極６におけるＩｒ以外の成分は特に限定されず、電極材料を形成する公知の材料、例えばインコネル６００を形成する成分等を挙げることができる。
【００４４】
前記中心電極２及び前記接地電極６を形成する材料の各成分の含有率は、次のようにして測定することができる。中心電極２と接地電極６とが対向する各面をそれぞれ０．１ｍｍ程度研磨して、この研磨面に対し、電子線プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）（例えば、ＪＥＯＬ社 ＪＸＡ−８５００Ｆ）を用い、加速電圧２０ｋＶ、ビーム電流：２．５×１０−８ｍＡ、スポット径：１００〜２００μｍの条件にて分析を行う。１つのサンプルに対して任意の異なる１０ヶ所に対し分析を行い、その測定値の平均値を算出し、その平均値を電極材料における各成分の含有率とする。
【００４５】
なお、中心電極２及び接地電極６は、所定の原料を所定の配合割合で配合して、以下に示すように製造される。製造された中心電極２及び接地電極６の組成は、原料の組成とほぼ一致する。したがって、中心電極２及び接地電極６を形成する各成分の含有率は、簡易的な方法として原料の配合割合からも算出することができる。
【００４６】
中心電極が第１の組成又は第２の組成を有すると、高着火性を確保するために高エネルギーの電流を流しても、中心電極の火花消耗量を抑制することができる。その結果、高着火性及び高耐久性を有するプラズマジェット点火プラグを提供することができる。
【００４７】
前記プラズマジェット点火プラグ１は、例えば次のようにして製造される。まず、前述した第１の組成又は第２の組成を有する電極材料を、希土類元素の酸化物とＷとＩｒとから適宜選択して特定の割合で溶解して、調整する。このようにして調整した電極材料を所定の形状に加工して中心電極２を作成する。なお、Ｎｉ基合金等の周知の電極材料で中心電極２となる電極棒を作成し、並行して前述した第１の組成又は第２の組成を有する円盤状のチップを作成して、例えばレーザ溶接により前記チップを電極棒の先端面に溶接して一体になるように形成してもよい。
【００４８】
接地電極６を形成する電極材料は、例えばインコネル６００と同様の組成を有する材料と特定量のＩｒとを溶解して、調整する。このようにして調整した電極材料を所定の形状に加工して接地電極６を作製する。電極材料の調整及び加工を連続して行うこともできる。例えば、真空溶解炉を用いて、所望の組成を有する合金の溶湯を調製し、真空鋳造にて各溶湯から鋳塊を調製した後、この鋳塊を、熱間加工、線引き加工等して、所定の形状及び所定の寸法に適宜調整して、中心電極２及び接地電極６を作製することができる。
【００４９】
次いで、セラミック等を所定の形状に焼成することによって絶縁体３を作製し、中心電極２を絶縁体４に公知の手法により組み付け、所定の形状に塑性加工等によって形成した主体金具５にこの絶縁体４を組み付ける。次いで、主体金具５の端面に設けた係合部１８に接地電極６を嵌合させて、電気抵抗溶接又はレーザ溶接等によって接合する。このようにして、プラズマジェット点火プラグ１が製造される。
【００５０】
本発明に係るプラズマジェット点火プラグは、自動車用の内燃機関例えばガソリンエンジン等の点火栓として使用され、内燃機関の燃焼室を区画形成するヘッド（図示せず）に設けられたネジ穴に前記ネジ部２２が螺合されて、所定の位置に固定される。この発明に係るプラズマジェット点火プラグは、如何なる内燃機関にも使用することができるが、高エネルギーの電流を流しても電極の消耗量を抑制することができるから、特に空燃比の高い内燃機関に好適に使用されることができる。
【００５１】
この発明に係るプラズマジェット点火プラグ１は、前記した実施例に限定されることはなく、本願発明の目的を達成することができる範囲において、種々の変更が可能である。すなわち、中心電極と接地電極との間に高電圧が印加され、火花放電が行われ、そこに更にエネルギーを供給することで放電状態を遷移させ、プラズマを形成する方法又はこれ以外の方法によりプラズマを形成するプラグであれば、中心電極や接地電極の構成、形状に限定されるものではない。
【実施例】
【００５２】
＜プラズマジェット点火プラグの作製＞
通常の真空溶解炉を用いて、表１〜９に示す組成（質量％）を有する合金の溶湯を調製し、真空鋳造にて各溶湯から鋳塊を調製した。その後、この鋳塊を熱間鋳造にて丸棒とした。この丸棒を押し出し加工等の塑性加工後に線引き加工、塑性加工等を施し直径４ｍｍの線材とし、プラズマジェット点火プラグの中心電極に作製した。また、Ｉｒが表４〜７、９に示す割合で含有され、残部がＮｉである合金の溶湯と、Ｉｒを実質的に含有しないＮｉの合金の溶湯とを調製し、中心電極を作製する場合と同様にして、中心部に開口部を有する円盤状の接地電極を作製した。なお、表中の希土類元素は酸化物換算での全体の質量に対する質量割合を示す。
【００５３】
そして、公知の手法により、セラミックで形成された絶縁体に前記中心電極を組み付け、この絶縁体を主体金具に組み付けた。主体金具の一端面に設けた係合部に前記接地電極の全周を接合し、プラズマジェット点火プラグを製造した。
【００５４】
なお、製造されたプラズマジェット点火プラグのねじ径はＭ１２であり、中心電極の先端面から接地電極の内面までの長さ（キャビティの長さ）は１ｍｍ、絶縁体の軸孔における先端部の内径（キャビティの内径）は１ｍｍ、接地電極の開口部の内径は１ｍｍであった。
【００５５】
＜耐久性試験の方法＞
前述のように製造したプラズマジェット点火プラグを、４気筒、２．０Ｌのエンジンに取り付け、エンジン回転数７２０ｒｐｍの状態を維持し、５０時間又は１００時間の運転を行った。なお、電極にプラズマエネルギー８０ｍＪの電流を流してプラズマを形成させた。
【００５６】
＜耐久性の評価＞
（中心電極が第１の組成を有する場合）
表１に示す組成の中心電極及びＮｉ合金からなる接地電極を備えたプラズマジェット点火プラグの耐久性は、耐久性試験の前後における中心電極の体積の減少量を測定し、１時間当たりの体積の減少量を消耗量として算出し、以下の基準に基づいて評価した。
×：基準となる組成を有する中心電極の消耗量に対して消耗量が大きい場合。
△：基準となる組成を有する中心電極の消耗量に対して消耗量が２／３より大きく１以下の場合。
○：基準となる組成を有する中心電極の消耗量に対して消耗量が１／３より大きく２／３以下の場合。
◎：基準となる組成を有する中心電極の消耗量に対して消耗量が１／３以下の場合。
【００５７】
【表１】
【００５８】
表２及び３に示す組成の中心電極及びＮｉ合金からなる接地電極を備えたプラズマジェット点火プラグの耐久性は、耐久性試験の前後における中心電極の体積の減少量を測定し、１時間当たりの体積の減少量を消耗量として算出し、以下の基準に基づいて評価した。
×：基準となる組成を有する中心電極の消耗量に対して消耗量が同じ又は大きい場合。
○：基準となる組成を有する中心電極の消耗量に対して消耗量が小さい場合。
【００５９】
【表２】
【００６０】
【表３】
【００６１】
（中心電極が第１の組成、接地電極がＩｒを含む場合）
表４〜７に示す組成の中心電極及び接地電極を備えたプラズマジェット点火プラグの耐久性は、耐久性試験の前後における中心電極の体積の減少量を測定し、１時間当たりの体積の減少量を消耗量として算出し、以下の基準に基づいて評価した。
×：基準となる組成を有する中心電極の消耗量に対して消耗量低減割合が２５％未満の場合。
△：基準となる組成を有する中心電極の消耗量に対して消耗量低減割合が２５％以上５０％未満の場合。
○：基準となる組成を有する中心電極の消耗量に対して消耗量低減割合が５０％以上の場合。
【００６２】
【表４】
【００６３】
【表５】
【００６４】
【表６】
【００６５】
【表７】
【００６６】
（中心電極が第２の組成を有する場合）
表８に示す組成を有する中心電極及びＮｉ合金からなる接地電極を備えたプラズマジェット点火プラグの耐久性は、表１の場合と同様にして評価した。
【００６７】
【表８】
【００６８】
（中心電極が第２の組成、接地電極がＩｒを含む場合）
表９に示す組成を有する中心電極及び接地電極を備えたプラズマジェット点火プラグの耐久性は、表４の場合と同様にして評価した。
【００６９】
【表９】
【００７０】
本願発明の範囲に含まれる組成を有する中心電極を備えたプラズマジェット点火プラグは、表１〜９に示されるように、中心電極の消耗量を抑制することができた。
【００７１】
一方、本願発明の範囲外にある組成を有する中心電極を備えたプラズマジェット点火プラグは、表１及び８に示されるように、１００質量％のＷからなる中心電極に対して中心電極の消耗量を低減させることができなかった。
【００７２】
表１における比較例は、希土類元素の酸化物の含有率及び／又はＷの含有率が本願発明の範囲外にあり、表８における比較例は、Ｉｒの含有率及び／又はＷの含有率が本願発明の範囲外にあり、いずれも１００質量％のＷからなる中心電極に対して中心電極の消耗量を低減させることができなかった。表２及び３に示されるように、中心電極が希土類元素の酸化物とＷと、さらに特定量のＩｒを含有すると、より一層中心電極の消耗量を低減させることができた。
【００７３】
表４〜７及び９に示されるように、本願発明の範囲内に含まれる組成を有する中心電極を備えたプラズマジェット点火プラグは、さらに接地電極がＩｒを含有すると、より一層中心電極の消耗量を低減させることができた。
【００７４】
（中心電極の表面分析）
試料Ｎｏ．１２１及びＮｏ．１１７の組成を有する中心電極及び接地電極を備えたプラズマジェット点火プラグを耐久性試験と同一の条件で試験を行った後に、中心電極先端部を軸線方向に切断して、切断面の表面分析を電子線プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）（ＪＥＯＬ社 ＪＸＡ−８５００Ｆ）により、加速電圧２０ｋＶ、ビーム電流：２．５×１０−８ｍＡ、スポット径：１００〜２００μｍの条件にて行った。結果を図３及び４に示す。
【００７５】
図３は、Ｉｒ含有率が９０質量％の接地電極を備えたプラズマジェット点火プラグの中心電極の表面分析結果であり、図４は、Ｉｒ含有率が５質量％の接地電極を備えたプラズマジェット点火プラグの中心電極の表面分析結果である。図３に示されるように、Ｉｒ含有率が９０質量％の接地電極を備えたプラズマジェット点火プラグの中心電極の先端部には、Ｉｒが検出された。この結果から、中心電極の先端部にＷ−Ｉｒ合金の溶融層が形成され、この溶融層が保護膜として働き、Ｗ成分の飛散を抑制していると考えられる。図４に示されるように、Ｉｒ含有率が５質量％の接地電極の場合には、中心電極の先端部にＩｒが検出されなかった。したがって、中心電極の先端部にＷ−Ｉｒ合金の溶融層が形成されなかったと判断される。
【符号の説明】
【００７６】
１ プラズマジェット点火プラグ
２ 中心電極
３ 軸孔
４ 絶縁体
５ 主体金具
６ 接地電極
７ 鍔部
８ 胴体部
９ 中間部
１０ 先端部
１１ 段差部
１２ 段状部
１３ 収容部
１４ 小径部
１５ 段部
１６ キャビティ
１７ 開口部
１８ 係合部
１９シール体
２０ 端子金具
２１ 先端面
２２ ネジ部
２３ 工具係合部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心電極と、
軸線方向に延びる軸孔を有し、前記中心電極の先端面が前記軸孔内に配置されると共に前記中心電極を保持する絶縁体と、
前記絶縁体を保持する主体金具と、
前記主体金具に接合されると共に、前記絶縁体よりも先端側に配置され、前記中心電極との間で火花放電を行う接地電極とを備えたプラズマジェット点火プラグにおいて、
前記中心電極のうち少なくとも前記先端面を含む先端部は、少なくとも１種の希土類元素の酸化物とＷとを含有し、前記希土類元素の酸化物の合計含有率が０．５質量％以上１０質量％以下であり、Ｗの含有率が９０質量％以上であることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
【請求項２】
前記希土類元素の酸化物の含有率は、０．５質量％以上７質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマジェット点火プラグ。
【請求項３】
前記中心電極は、前記希土類元素のうち、少なくともＬａ又はＹの酸化物を含有し、その合計含有率が０．５質量％以上５質量％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマジェット点火プラグ。
【請求項４】
前記中心電極は、Ｉｒを０．３質量％以上３質量％以下含有し、前記希土類元素の酸化物とＩｒとＷとの合計含有率が１００質量％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマジェット点火プラグ。
【請求項５】
中心電極と、
軸線方向に延びる軸孔を有し、前記中心電極の先端面が前記軸孔内に配置されると共に前記中心電極を保持する絶縁体と、
前記絶縁体を保持する主体金具と、
前記主体金具に接合されると共に、前記絶縁体よりも先端側に配置され、前記中心電極との間で火花放電を行う接地電極とを備えたプラズマジェット点火プラグにおいて、
前記中心電極のうち少なくとも前記先端面を含む先端部は、Ｉｒを０．３質量％以上３質量％以下、かつＷを９７質量％以上含有することを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
【請求項６】
前記接地電極は、Ｉｒを含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマジェット点火プラグ。
【請求項７】
前記接地電極は、Ｉｒを１０質量％以上含有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラズマジェット点火プラグ。
【請求項８】
前記接地電極は、Ｉｒを９０質量％以上含有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラズマジェット点火プラグ。
【請求項１】
中心電極と、
軸線方向に延びる軸孔を有し、前記中心電極の先端面が前記軸孔内に配置されると共に前記中心電極を保持する絶縁体と、
前記絶縁体を保持する主体金具と、
前記主体金具に接合されると共に、前記絶縁体よりも先端側に配置され、前記中心電極との間で火花放電を行う接地電極とを備えたプラズマジェット点火プラグにおいて、
前記中心電極のうち少なくとも前記先端面を含む先端部は、少なくとも１種の希土類元素の酸化物とＷとを含有し、前記希土類元素の酸化物の合計含有率が０．５質量％以上１０質量％以下であり、Ｗの含有率が９０質量％以上であることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
【請求項２】
前記希土類元素の酸化物の含有率は、０．５質量％以上７質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマジェット点火プラグ。
【請求項３】
前記中心電極は、前記希土類元素のうち、少なくともＬａ又はＹの酸化物を含有し、その合計含有率が０．５質量％以上５質量％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマジェット点火プラグ。
【請求項４】
前記中心電極は、Ｉｒを０．３質量％以上３質量％以下含有し、前記希土類元素の酸化物とＩｒとＷとの合計含有率が１００質量％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマジェット点火プラグ。
【請求項５】
中心電極と、
軸線方向に延びる軸孔を有し、前記中心電極の先端面が前記軸孔内に配置されると共に前記中心電極を保持する絶縁体と、
前記絶縁体を保持する主体金具と、
前記主体金具に接合されると共に、前記絶縁体よりも先端側に配置され、前記中心電極との間で火花放電を行う接地電極とを備えたプラズマジェット点火プラグにおいて、
前記中心電極のうち少なくとも前記先端面を含む先端部は、Ｉｒを０．３質量％以上３質量％以下、かつＷを９７質量％以上含有することを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
【請求項６】
前記接地電極は、Ｉｒを含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマジェット点火プラグ。
【請求項７】
前記接地電極は、Ｉｒを１０質量％以上含有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラズマジェット点火プラグ。
【請求項８】
前記接地電極は、Ｉｒを９０質量％以上含有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラズマジェット点火プラグ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−２２８２６０（Ｐ２０１１−２２８２６０Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７８９０３（Ｐ２０１０−２７８９０３）
【出願日】平成２２年１２月１５日（２０１０．１２．１５）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１５日（２０１０．１２．１５）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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