JP6411433B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は、スパークプラグに関する。

従来から、自動車、コージェネレーション、ガス圧送用ポンプ等の内燃機関用のスパークプラグがある。該スパークプラグは、中心電極と接地電極とを有し、その間に火花放電ギャップを設けている。この火花放電ギャップにおける火花放電によって、混合気体に着火する。

このようなスパークプラグにおいては、エンジンの高性能化・メンテナンスフリーなどにより長寿命化が要求され、中心電極における対向部すなわち火花放電ギャップに面する部位である火花放電部に、Ｉｒ合金などの貴金属チップを配設している。

ここで、貴金属チップ（Ｉｒ合金等）と中心電極母材（Ｎｉ合金等）とは、熱膨張係数の差が大きい。そのため、熱応力によるチップの脱落を防止するため、レーザ溶接により、貴金属チップと中心電極母材の略中間の熱膨張係数を有する溶融層を形成している。これにより、熱応力を低減させることで、貴金属チップと中心電極母材との接合性を確保している。また、良好な接合性を確保しつつ発火部の耐久性も具備するために、溶融層のチップ高さ方向における幅の関係などを調整したものが知られている。（例えば、特許文献１）。

特開２００１−１５２４５号公報

上記特許文献に記載されたスパークプラグは、良好な接合性を確保しつつ発火部の耐久性も具備したものではあるものの、本発明者らが鋭意検討した結果、発火部の耐久性に関して、さらなる向上の余地があった。
そこで、本願発明はかかる実情に鑑み、中心電極と貴金属チップとの良好な接合性を確保しつつ発火部の耐久性をさらに向上させたスパークプラグの提供を目的とするものである。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、軸線方向に延びる棒状の中心電極と、自身の先端側で前記中心電極を保持する筒状の絶縁体と、前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、前記主体金具の先端部に接合された接地電極と、前記中心電極の先端部に接合され、前記接地電極の端部と間隙を介して対向する貴金属チップとを有し、前記中心電極と前記貴金属チップとは、前記中心電極の成分と前記貴金属チップの成分とが溶融された溶融部を介して接合されてなるスパークプラグであって、前記軸線を含む断面において、前記貴金属チップと前記溶融部との境界であるチップ側境界は、前記軸線方向の最も後端側の点Ｘから外周端Ａまでの範囲における形状が前記溶融部側へ凸な形状であり、前記中心電極と前記溶融部との境界である中心電極側境界は、前記軸線方向の最も先端側の点Ｙから外周端Ｂまでの範囲における形状が前記中心電極側へ凸な形状であり、 前記溶融部のうち外表面に露出する部位の外形線が該溶融部側に凹な形状であるスパークプラグが提供される。この形態のスパークプラグによれば、貴金属チップと溶融部との境界であるチップ側境界および中心電極と溶融部との境界である中心電極側境界のいずれも、熱膨張係数が大きい材質側へ凸な形状であるため、それぞれの境界部で熱膨張差により発生する応力が緩和され、それぞれの境界における剥離が生じにくくなる。また、貴金属チップと溶融部との境界であるチップ側境界が溶融部側へ凸な形状であるため、火花放電により貴金属チップの放電面が消耗していったときに溶融部が放電面に露出しにくいので、良好な耐久性能を有する。さらに、溶融部のうち外表面に露出する部位の外形線が溶融部側に凹な形状であるため、溶融部に放電してしまう恐れを抑制することができる。

（２）上記形態のスパークプラグにおいて、前記軸線を含む断面において、前記軸線方向の最も後端側の点Ｘから前記外周端Ａまでの範囲における前記チップ側境界のうち、前記軸線方向の最も後端側の点Ｘと前記外周端Ａとを通る直線から最も離れた部位が前記貴金属チップの外周面から前記貴金属チップの外径の１／４だけ内側に入った位置よりも径方向外側に位置するようにしてもよい。これにより、火花放電により貴金属チップの放電面が消耗していったときに溶融部が放電面にさらに露出しにくくなるので、より良好な耐久性能を有することができる。

スパークプラグの部分断面を示す説明図である。 スパークプラグの要部断面を拡大して示す説明図である。 スパークプラグの要部断面を拡大して示す説明図である。

Ａ．実施形態：
Ａ−１．スパークプラグの構成：
図１は、スパークプラグ１０の部分断面を示す説明図である。図１には、スパークプラグ１０の軸心である軸線ＣＡ１を境界として、紙面右側にスパークプラグ１０の外観形状を図示し、紙面左側にスパークプラグ１０の断面形状を図示した。スパークプラグ１０における図１の紙面下側を「先端側」といい、図１の紙面上側を「後端側」という。

スパークプラグ１０は、中心電極１００と、絶縁体２００と、主体金具３００と、接地電極４００とを備える。本実施形態では、スパークプラグ１０の軸線ＣＡ１は、中心電極１００、絶縁体２００および主体金具３００の各部材における軸心でもある。

スパークプラグ１０は、中心電極１００と接地電極４００との間に形成された間隙ＳＧを先端側に有する。スパークプラグ１０の間隙ＳＧは、火花ギャップとも呼ばれる。スパークプラグ１０は、間隙ＳＧが形成されている先端側を燃焼室９２０の内壁９１０から突出させた状態で内燃機関９０に取り付け可能に構成されている。スパークプラグ１０を内燃機関９０に取り付けた状態で、高電圧を中心電極１００に印加すると、間隙ＳＧに火花放電が発生する。この間隙ＳＧに発生させた火花放電によって、燃焼室９２０内の混合気に着火することが可能である。

図１には、相互に直交するＸＹＺ軸を図示した。図１のＸＹＺ軸のうち、軸線ＣＡ１に沿った軸をＺ軸とする。Ｚ軸に沿ったＺ軸方向（軸線方向）に関し、スパークプラグ１０の後端側から先端側に向かって＋Ｚ軸方向とし、その逆を−Ｚ軸方向とする。＋Ｚ軸方向は、中心電極１００が絶縁体２００と共に軸線ＣＡ１に沿って主体金具３００の先端側から突出する方向である。

図１のＸＹＺ軸のうち、接地電極４００が軸線ＣＡ１に向けて屈曲する方向に沿った軸をＹ軸とする。Ｙ軸に沿ったＹ軸方向に関し、接地電極４００が軸線ＣＡ１に向けて屈曲する方向を−Ｙ軸方向とし、その逆を＋Ｙ軸方向とする。

図１のＸＹＺ軸のうち、Ｙ軸およびＺ軸に直交する軸をＸ軸とする。Ｘ軸に沿ったＸ軸方向に関し、図１の紙面奥から紙面手前に向かって＋Ｘ軸方向とし、その逆を−Ｘ軸方向とする。

スパークプラグ１０の中心電極１００は、導電性を有する電極体である。中心電極１００は、軸線ＣＡ１を中心に延びた棒状をなす。本実施形態では、中心電極１００は、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするニッケル合金（例えば、インコネル（登録商標））からなる。中心電極１００の先端側は、絶縁体２００の先端側から突出している。中心電極１００は、シール体１６０、セラミック抵抗１７０、シール体１８０を介して、端子金具１９０と電気的に接続されている。

貴金属チップ１１０は、中心電極１００の成分と貴金属チップ１１０の成分とが溶融された溶融部１２０を介して、中心電極１００の先端部に接合されている。

スパークプラグ１０の接地電極４００は、導電性を有する電極体である。本実施形態では、接地電極４００は、主体金具３００から軸線ＣＡ１に対して平行に一旦延びた後に軸線ＣＡ１に向けて屈曲した形状をなす。接地電極４００の基端部は、主体金具３００に接合されている。接地電極４００の先端部は、中心電極１００との間に間隙ＳＧを形成する。本実施形態では、接地電極４００は、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするニッケル合金（例えば、インコネル（登録商標））からなる。

スパークプラグ１０の絶縁体２００は、電気絶縁性を有する碍子である。絶縁体２００は、軸線ＣＡ１を中心に延びた筒状をなす。本実施形態では、絶縁体２００は、絶縁性セラミックス材料（例えば、アルミナ）を焼成してなる。

絶縁体２００は、軸線ＣＡ１を中心に延びた貫通孔である軸孔２９０を有する。絶縁体２００の軸孔２９０には、絶縁体２００の先端側（＋Ｚ軸方向側）から突出させた状態で中心電極１００が軸線ＣＡ１上に保持されている。絶縁体２００の外側には、先端側から後端側に向けて順に、第１筒状部２１０と、第２筒状部２２０と、第３筒状部２５０と、第４筒状部２７０とが形成されている。

絶縁体２００の第１筒状部２１０は、先端側に向けて先細りになった円筒状の部位であり、第１筒状部２１０の先端側は、主体金具３００の先端側から突出している。絶縁体２００の第２筒状部２２０は、第１筒状部２１０よりも大きな径を有する円筒状の部位である。絶縁体２００の第３筒状部２５０は、第２筒状部２２０および第４筒状部２７０よりも外周方向に張り出した円筒状の部位である。絶縁体２００の第４筒状部２７０は、第３筒状部２５０から後端側をなす円筒状の部位であり、第４筒状部２７０の後端側は、主体金具３００の後端側から突出している。

スパークプラグ１０の主体金具３００は、導電性を有する金属体である。主体金具３００は、軸線ＣＡ１を中心に延びた筒状をなす。本実施形態では、主体金具３００は、筒状に成形した低炭素鋼にニッケルメッキを施した金属体である。他の実施形態では、主体金具３００は、亜鉛メッキを施した金属体であっても良いし、メッキを施していない金属体（無メッキ）であっても良い。

主体金具３００の内側には、主体金具３００の先端側（＋Ｚ軸方向側）から中心電極１００と共に突出させた状態で絶縁体２００が保持されている。主体金具３００の内側には、先端側から後端側に向けて順に、金具内周面３９２と、環状凸部３９４と、金具内周面３９６とが形成されている。

主体金具３００の金具内周面３９２は、主体金具３００の内周面のうち環状凸部３９４よりも先端側に位置する部位ある。主体金具３００の環状凸部３９４は、主体金具３００の内周面である金具内周面３９２および金具内周面３９６から内側に向けて***した環状の部位である。主体金具３００の金具内周面３９６は、主体金具３００の内周面のうち環状凸部３９４よりも後端側に位置する部位である。

金具内周面３９２と絶縁体２００との隙間は、環状凸部３９４と絶縁体２００との隙間や、金具内周面３９６と絶縁体２００との隙間よりも大きい。絶縁体２００を主体金具３００の後端側から挿入して主体金具３００に組み付ける際、環状凸部３９４および金具内周面３９６は、主体金具３００に対する絶縁体２００の位置決めに利用される。

主体金具３００は、中心電極１００から電気的に絶縁された状態で絶縁体２００の外側面にカシメ固定されている。主体金具３００の外側には、先端側から後端側に向けて順に、先端部３１０と、ネジ部３２０と、胴部３４０と、溝部３５０と、工具係合部３６０と、カシメ蓋３８０とが形成されている。

主体金具３００の先端部３１０は、主体金具３００の先端側（＋Ｚ軸方向側）を構成する円筒状の部位である。先端部３１０には、接地電極４００が接合されている。先端部３１０の中央からは、中心電極１００と共に絶縁体２００が＋Ｚ軸方向に向けて突出している。

主体金具３００のネジ部３２０は、ネジ山が外側面に形成されている円筒状の部位である。本実施形態では、主体金具３００のネジ部３２０を内燃機関９０のネジ孔９３０に螺合させることによって、スパークプラグ１０を内燃機関９０に取り付けることが可能である。本実施形態では、ネジ部３２０の呼び径は、Ｍ１２である。他の実施形態では、ネジ部３２０の呼び径は、Ｍ１２より小さくても良いし（例えば、Ｍ８、Ｍ９、Ｍ１０）、Ｍ１２より大きくても良い（例えば、Ｍ１４、Ｍ１８）。

主体金具３００の胴部３４０は、溝部３５０よりも外周方向に張り出した鍔状の部位である。スパークプラグ１０を内燃機関９０に取り付けた状態で、胴部３４０と内燃機関９０との間にはガスケット５００が圧縮される。

主体金具３００の溝部３５０は、胴部３４０と工具係合部３６０との間に設けられ、主体金具３００を絶縁体２００にカシメ固定する際に外周方向に膨出した円筒状の部位である。

主体金具３００の工具係合部３６０は、溝部３５０よりも外周方向へ多角形状に張り出した鍔状の部位であり、スパークプラグ１０を内燃機関９０に取り付けるための工具（図示しない）に係合する形状をなす。本実施形態では、工具係合部３６０の外形は、六角形状である。

主体金具３００のカシメ蓋３８０は、主体金具３００を絶縁体２００にカシメ固定する際に、主体金具３００の後端側を絶縁体２００に向けて屈曲して成形した部位である。

絶縁体２００の第３筒状部２５０および第４筒状部２７０における外側と、主体金具３００の工具係合部３６０およびカシメ蓋３８０における内側との間には、リング部材６１０が後端側に、リング部材６２０が先端側にそれぞれ配置され、リング部材６１０とリング部材６２０との間に粉末６５０が充填されている。リング部材６１０，６２０は、金属製（例えば、鉄（Ｆｅ））の環状の部材である。粉末６５０は、密閉（シール）用の粉末（例えば、粉末の滑石（タルク））である。

リング部材６１０，６２０および粉末６５０は、絶縁体２００と主体金具３００との間を密閉すると共に、主体金具３００に対する絶縁体２００の保持力を向上させる。ここで、環状の部材であるリング部材６１０，６２０は、軸線ＣＡ１と直交する断面でみたとき、周方向において切れ目のないＯ字形状でもよいし、周方向の一部に切れ目があるＣ字形状であってもよい。

図２は、貴金属チップ１１０が接合された中心電極１００の先端部近傍の軸線ＣＡ１を含む断面を拡大して示す説明図である。なお、図２では紙面下側が「後端側」、紙面上側が「先端側」となる。

図２に示すように、貴金属チップ１１０は、中心電極１００の成分と貴金属チップ１１０の成分とが溶融された溶融部１２０を介して、中心電極１００の先端部に接合されている。中心電極１００の先端部に貴金属チップ１１０を配置した状態で両者の境界をレーザ溶接することにより、中心電極１００の成分と貴金属チップ１１０の成分とが溶融された溶融部１２０が形成され、貴金属チップ１１０と中心電極１００とが接合される。

貴金属チップ１１０と溶融部１２０との境界であるチップ側境界１３０は、軸線ＣＡ１方向の最も後端側の点Ｘから外周端Ａ１および点Ｘから外周端Ａ２までの範囲における形状が溶融部１２０側へ凸な形状となっている。ここで、外周端Ａ１、Ａ２が特許請求の範囲における外周端Ａに相当する。なお、「チップ側境界１３０が溶融部１２０側へ凸な形状」とは、点Ｘから外周端Ａ１までのチップ側境界１３０が、点Ｘと外周端Ａ１とを結んだ仮想直線よりも後端側に位置することを意味する。点Ｘから外周端Ａ２までのチップ側境界１３０においても同様である。

中心電極１００と溶融部１２０との境界である中心電極側境界１４０は、軸線ＣＡ１方向の最も先端側の点Ｙから外周端Ｂ１および点Ｙから外周端Ｂ２までの範囲における形状が中心電極側へ凸な形状となっている。ここで、外周端Ｂ１、Ｂ２が特許請求の範囲における外周端Ｂに相当する。なお、「中心電極側境界１４０が中心電極１００側へ凸な形状」とは、点Ｙから外周端Ｂ１までの中心電極側境界１４０が、点Ｙと外周端Ｂ１とを結んだ仮想直線よりも後端側に位置することを意味する。点Ｙから外周端Ｂ２までの中心電極側境界１４０においても同様である。

溶融部１２０のうち外表面に露出する部位は溶融部１２０側に凹な形状を有している。すなわち、溶融部１２０の外表面は窪んでおり、軸線ＣＡ１を含む断面である図２において、溶融部１２０の外表面に露出する部位の外形線は溶融部１２０側に凹な形状となっている。

図３は、図２と同様、貴金属チップ１１０が接合された中心電極１００の先端部近傍の軸線ＣＡ１を含む断面を拡大して示す説明図であり、紙面下側が「後端側」、紙面上側が「先端側」である。

図３では、より好ましい形態としての溶融部１２０の形状が特定できるように、基準となる直線等が示してある。直線Ｌ１は点Ｘと外周端Ａ１とを通る直線であり、直線Ｌ２は点Ｘと外周端Ａ２とを通る直線である。直線ＲＬ１は、貴金属チップ１１０の外周面から貴金属チップ１１０の外径Ｄの１／４だけ内側に入った位置を通る軸線ＣＡ１と平行な直線である。線ＲＬ２は、貴金属チップ１１０の外周面から貴金属チップ１１０の外径Ｄの１／４だけ内側に入った位置を通る軸線ＣＡ１と平行な直線である。

図３に示すように、点Ｘから外周端Ａ１までの間のチップ側境界１３０のうち、直線Ｌ１から最も離れた位置Ｔ１は直線ＲＬ１よりも径方向外側にある。同様に、点Ｘから外周端Ａ２までの間のチップ側境界１３０のうち、直線Ｌ２から最も離れた位置Ｔ２は直線ＲＬ２よりも径方向外側にある。このように、チップ側境界１３０のうち最も溶融部１２０側に凸な位置が比較的径方向外側に位置している。これにより、チップ側境界１３０のうち最も溶融部１２０側に凸な位置が径方向内側にある場合に比べ、火花消耗により貴金属チップ１１０の体積が減少していったときに、溶融部１２０が放電面に露出しにくくなる。すなわち、耐久性が良いものとなる。なお、レーザ溶接時に溶融部１２０の一部が貴金属チップ１１０の外周面上にまで延びて付着することがある。このような場合には、貴金属チップ１１０外周縁の後端点と溶融部１２０との接点を外周端Ａ（Ａ１、Ａ２）とみなす。例えば、外径が一定な貴金属チップ１１０を用いる場合には、貴金属チップ１１０の外径が一定な部分の後端点と溶融部１２０との接点を外周端Ａ（Ａ１、Ａ２）とみなす。

Ａ−２．効果：
以上説明した実施形態によれば、貴金属チップ１１０と溶融部１２０との境界であるチップ側境界１３０の、軸線ＣＡ１方向の最も後端側の点Ｘから外周端Ａ１および点Ｘから外周端Ａ２までの範囲における形状が溶融部１２０側へ凸な形状となっている。つまり、チップ側境界１３０が熱膨張係数が大きい溶融部１２０側へ凸な形状となっている。この結果、貴金属チップ１１０と溶融部１２０との境界部で熱膨張差により発生する応力が緩和され、貴金属チップ１１０と溶融部１２０との境界における剥離が生じにくくなる。

さらに、貴金属チップ１１０と溶融部１２０との境界であるチップ側境界１３０の、軸線ＣＡ１方向の最も後端側の点Ｘから外周端Ａ１および点Ｘから外周端Ａ２までの範囲における形状が溶融部１２０側へ凸な形状となっているため、火花放電により貴金属チップの放電面が消耗していったときに溶融部が放電面に露出しにくいので、良好な耐久性能を有する。

また、中心電極１００と溶融部１２０との境界である中心電極側境界１４０の、軸線ＣＡ１方向の最も後端側の点Ｙから外周端Ｂ１および点Ｙから外周端Ｂ２までの範囲における形状が中心電極１００側へ凸な形状となっている。つまり、中心電極側境界１４０が熱膨張係数が大きい中心電極１００側へ凸な形状となっている。この結果、中心電極１００と溶融部１２０との境界部で熱膨張差により発生する応力が緩和され、中心電極１００と溶融部１２０との境界における剥離が生じにくくなる。

また、溶融部１２０のうち外表面に露出する部位は溶融部１２０側に凹な形状を有している。すなわち、溶融部１２０の外表面は窪んでおり、軸線ＣＡ１を含む断面である図２において、溶融部１２０の外表面に露出する部位の外形線は溶融部１２０側に凹な形状となっているため、溶融部１２０に放電してしまう恐れを抑制することができる。この結果、放電による溶融部１２０の異常消耗が抑制される。

さらに、チップ側境界１３０のうち最も溶融部１２０側に凸な位置が比較的径方向外側に位置しているため、火花消耗により貴金属チップ１１０の体積が減少していったときに、チップ側境界１３０のうち最も溶融部１２０側に凸な位置が径方向内側にある場合に比べ溶融部１２０が放電面に露出しにくくなる。この結果、耐久性が良好なものとなる。

Ｂ．他の実施形態：
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…スパークプラグ
９０…内燃機関
１００…中心電極
１１０…貴金属チップ
１２０…溶融部
１３０…チップ側境界
１４０…中心電極側境界
１６０…シール体
１７０…セラミック抵抗
１８０…シール体
１９０…端子金具
２００…絶縁体
２１０…第１筒状部
２２０…第２筒状部
２５０…第３筒状部
２７０…第４筒状部
２９０…軸孔
３００…主体金具
３１０…先端部
３２０…ネジ部
３４０…胴部
３５０…溝部
３６０…工具係合部
３８０…カシメ蓋
３９２…金具内周面
３９４…環状凸部
３９６…金具内周面
４００…接地電極
５００…ガスケット
６１０…リング部材
６２０…リング部材
６５０…粉末
９１０…内壁
９２０…燃焼室
９３０…ネジ孔
ＳＧ…間隙
ＣＡ１…軸線
Ａ（Ａ１、Ａ２）…チップ側境界の外周端
Ｂ（Ｂ１、Ｂ２）…中心電極側境界の外周端
Ｘ…チップ側境界のうち最も後端側の点
Ｙ…中心電極側境界のうち最も先端側の点
Ｌ（Ｌ１、Ｌ２）…点Ｘと外周端Ａ（Ａ１、Ａ２）とを通る直線
Ｔ…チップ側境界のうち直線Ｌから最も離れた部位
Ｄ…貴金属チップの外径
ＲＬ（ＲＬ１、ＲＬ２）…貴金属チップの外周面から貴金属チップの外径の１／４だけ内側に入った位置を通る直線

Claims (2)

1. 軸線方向に延びる棒状の中心電極と、
   自身の先端側で前記中心電極を保持する筒状の絶縁体と、
   前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
   前記主体金具の先端部に接合された接地電極と、
   前記中心電極の先端部に接合され、前記接地電極の端部と間隙を介して対向する貴金属チップとを有し、
   前記中心電極と前記貴金属チップとは、前記中心電極の成分と前記貴金属チップの成分とが溶融された溶融部を介して接合されてなるスパークプラグであって、
   前記軸線を含む断面において、
   前記貴金属チップと前記溶融部との境界であるチップ側境界は、前記軸線方向の最も後端側の点Ｘから外周端Ａまでの範囲における形状が前記溶融部側へ凸な形状であり、
   前記中心電極と前記溶融部との境界である中心電極側境界は、前記軸線方向の最も先端側の点Ｙから外周端Ｂまでの範囲における形状が前記中心電極側へ凸な形状であり、
   前記溶融部のうち外表面に露出する部位の外形線が該溶融部側に凹な形状であるスパークプラグ。
2. 請求項１に記載のスパークプラグであって、
   前記軸線を含む断面において、
   前記軸線方向の最も後端側の点Ｘから前記外周端Ａまでの範囲における前記チップ側境界のうち、前記軸線方向の最も後端側の点Ｘと前記外周端Ａとを通る直線から最も離れた部位が前記貴金属チップの外周面から前記貴金属チップの外径の１／４だけ内側に入った位置よりも径方向外側に位置するスパークプラグ。
   

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