JP7490507B2

JP7490507B2 - スパークプラグ

Info

Publication number: JP7490507B2
Application number: JP2020150961A
Authority: JP
Inventors: 研悟藤村; 一輝田中; 宗都原; 裕一山田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2020-09-09
Publication date: 2024-05-27
Anticipated expiration: 2040-09-09
Also published as: JP2022045383A

Description

本明細書によって開示される技術は、スパークプラグに関する。

スパークプラグは、軸孔を有する絶縁体と、絶縁体の内部に保持される中心電極とを備える。中心電極は、軸孔に設けられた段部に支持される鍔部と、鍔部から先端側に延びる軸部と、鍔部から後端側に延びる頭部とを備えている。軸孔の内部において、頭部と鍔部との周囲にはシール部材が充填されており、このシール部材により中心電極が軸孔内に固定されている。この種のスパークプラグにおいて、中心電極の頭部が、鍔部から離れるほど径が大きくなる拡径形状を有している場合がある（特許文献１参照）。

燃焼室内で混合気が燃焼する際には、燃焼圧により、中心電極に対して軸線方向（軸線が延びる方向）への圧力が加わる。これにより、シール部材の固着力が低下し、中心電極にがたつき（緩み）が生じることがある。頭部が上記のような拡径形状を有していると、中心電極が軸線方向の後端側へ動くことが抑制されるため、中心電極の緩みを抑制することができる。

特開平５－３４３１５７号公報

上記のように中心電極の頭部が拡径形状を有している場合には、鍔部の表面と頭部の表面とで形成される角部が鋭角をなしている。このため、スパークプラグの製造工程において、この角部にシール部材が充分に行き渡らず、頭部の周囲に空隙が生じてしまうことが懸念される。また、拡径形状の先端部に応力が集中しやすくなるため、シール部材が破壊されることが懸念される。このような事態が生じると、中心電極の緩みの抑制効果が限定的となってしまうおそれがある。

本明細書によって開示されるスパークプラグは、軸線方向に延びる軸孔が形成された絶縁体と、前記軸孔の前記軸線方向の先端側に配置された中心電極と、を備え、前記軸孔は、前記軸線方向の先端側から順に、第１内径部と、前記軸線方向の後端側に向かうにつれて内径が大きくなる段部と、前記第１内径部より内径の大きい第２内径部と、を有し、前記中心電極は、先端が前記段部に支持される鍔部と、前記鍔部から前記軸線方向の後端側に延びて前記第２内径部に配置される頭部と、前記鍔部から前記軸線方向の先端側に延びて前記第１内径部に配置される軸部と、を有し、前記軸孔の内部において前記鍔部と前記頭部との周囲に充填される導電性シール部材を備えるスパークプラグであって、前記頭部は、前記鍔部に連なる円柱状の円柱部と、前記円柱部に連なり、前記鍔部から離れるほど外径が大きくなる拡径部とを備え、前記中心電極は、前記鍔部の表面と前記円柱部の表面とが滑らかに接続される。

本明細書によって開示されるスパークプラグによれば、中心電極の緩みを抑制し、着火性能の低下を回避することができる。

実施形態のスパークプラグの断面図である。実施形態のスパークプラグの部分拡大断面図である。実施形態のスパークプラグの製造工程において、拡径部が形成される前の状態を示す部分拡大断面図である。

［実施形態の概要］
（１）本明細書によって開示されるスパークプラグは、軸線方向に延びる軸孔が形成された絶縁体と、前記軸孔の前記軸線方向の先端側に配置された中心電極と、を備え、前記軸孔は、前記軸線方向の先端側から順に、第１内径部と、前記軸線方向の後端側に向かうにつれて内径が大きくなる段部と、前記第１内径部より内径の大きい第２内径部と、を有し、前記中心電極は、先端が前記段部に支持される鍔部と、前記鍔部から前記軸線方向の後端側に延びて前記第２内径部に配置される頭部と、前記鍔部から前記軸線方向の先端側に延びて前記第１内径部に配置される軸部と、を有し、前記軸孔の内部において前記鍔部と前記頭部との周囲に充填される導電性シール部材を備えるスパークプラグであって、前記頭部は、前記鍔部に連なる円柱状の円柱部と、前記円柱部に連なり、前記鍔部から離れるほど外径が大きくなる拡径部とを備え、前記中心電極は、前記鍔部の表面と前記円柱部の表面とが滑らかに接続される。

上記の構成によれば、従来の構成と比較して、鍔部と頭部との周囲に導線性シール部材を充分に行き渡らせることができ、特に、鍔部の表面と頭部の外周面とで形成される角部に空隙が発生することを回避することができる。また、円柱部においては、熱膨張による力が径方向にしか伝わらず、円柱部の周囲に均等に分散されるため、拡径部の後端部への応力集中を緩和することができる。これらにより、中心電極の緩みを抑制し、着火性能の低下を回避することができる。

（２）上記（１）のスパークプラグにおいて、前記第２内径部の内径が３．１ｍｍ以下であっても構わない。また、上記（１）のスパークプラグにおいて、前記円柱部の前記軸線方向における長さが１．９ｍｍ以下であっても構わない。

近年、車両の内燃機関には小型化、小排気量化が求められている。これに伴ってスパークプラグにも小型化が要求され、中心電極も小型化、小径化されている。このため、中心電極を固着するために重要な因子の１つである中心電極の表面積が小さくなり、中心電極の緩みの問題が顕著となる。このような小型で細径の中心電極が用いられるスパークプラグにおいて、上記の構成を好適に適用することができる。

［実施形態の詳細］
本明細書によって開示される技術の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

＜スパークプラグ１の全体構成＞
実施形態１を、図１から図３を参照しつつ説明する。スパークプラグ１は内燃機関のシリンダヘッドに取り付けられ、内燃機関の燃焼室内の混合気に着火するために用いられる。スパークプラグ１は、図１に示すように、絶縁体１０と、主体金具２０と、中心電極３０と、端子金具４０と、抵抗体５０と、導電性シール部材（以下、「シール部材」と略記する）６０、７０と、接地電極８０とを備える。図１の一点破線は、スパークプラグ１の軸線ＡＸを示している。以下の説明では、軸線ＡＸと平行な方向（図１の上下方向）を「軸線方向」という。また、図１における下側を軸線方向の先端側といい、図１における上側を軸線方向の後端側という。

＜絶縁体１０＞
絶縁体１０は、図１に示すように、軸線ＡＸに沿って延びる円筒状の部材であって、軸線方向に延びる軸孔１１を有する。絶縁体１０は、例えば、アルミナ等のセラミックスを用いて形成されている。軸孔１１は、軸線方向の先端側から順に、第１内径部１２と、この第１内径部１２に連なり、軸線方向の後端側に向かうにつれて内径が大きくなる段部１３と、段部１３に連なり、第１内径部１２より内径の大きい第２内径部１４と、を有している。

＜主体金具２０＞
主体金具２０は、スパークプラグ１をシリンダヘッドに取り付ける際に利用される部材である。この主体金具２０は、図１に示すように、全体として軸線方向に延びた円筒形状をなし、導電性の金属材料（例えば、低炭素鋼材）によって構成される。

主体金具２０は、図１に示すように、内部に軸線方向に貫通する通し孔２１を備えており、その通し孔２１に挿通される形で、絶縁体１０が主体金具２０の内部で保持される。絶縁体１０の後端は、主体金具２０の後端から外側（図１の上側）へ突出している。絶縁体１０の先端部は、主体金具２０の先端から外側（図１の下側）へ突出している。

＜中心電極３０＞
中心電極３０は、図１に示すように、軸線方向に延びる棒状の中心電極本体３１と、その中心電極本体３１の先端に取り付けられる円柱状のチップ３２とを備えている。中心電極本体３１は、その先端部が絶縁体１０の外部に露出するように、絶縁体１０の軸孔１１の先端側に保持されている。中心電極本体３１は、ニッケル（Ｎｉ）又はニッケルを最も多く含むニッケル基合金（例えば、ＮＣＦ６００、ＮＣＦ６０１等）によって構成される。なお、中心電極本体３１は、ニッケル又はニッケル基合金製からなる外層部（母材）と、その外層部に埋設された芯部とを含む２層構造であってもよい。その場合、芯部は、外層部よりも熱伝導性に優れる銅（Ｃｕ）又は銅を最も多く含む銅基合金から形成されることが好ましい。チップ３２は、例えば白金やイリジウムなどの貴金属を主成分とする。なお、チップ３２は省略可能である。

中心電極本体３１は、図２に示すように、鍔部３３と、鍔部３３からそれぞれ延びる頭部３４と軸部３５とを備えている。鍔部３３は、第１内径部１２の内径よりも大きく、第２内径部１４の内径よりも小さい外径を有する略円板状である。頭部３４は、鍔部３３から軸線方向の後端側に延びている。軸部３５は、鍔部３３の外径よりも小さい外径を有する細長い丸棒状をなし、鍔部３３から軸線方向の先端側に延びている。鍔部３３は、先端側（図１および図２の下側）の面が段部１３の内周面に突き当たることによって支持されている。鍔部３３のうち先端側の一部は段部１３に配置され、残りの大部分は第２内径部１４内に配置されている。頭部３４は、第２内径部１４内に配置されている。軸部３５は、絶縁体１０の外部に露出する先端部を除く大部分が、第１内径部１２内に配置されている。

頭部３４は、鍔部３３に連なる円柱部３６と、円柱部３６に連なる拡径部３７とを備えている。円柱部３６は、全長にわたって外径が一定な円柱状をなしており、鍔部３３から軸線方向の後端側に延びている。拡径部３７は、円柱部３６から軸線方向の後端側に延びており、鍔部３３から離れるほど外径が大きくなる円錐台形をなしている。鍔部３３の表面と円柱部３６の表面との接続部分３８は、全周にわたって、滑らかな曲面状となっている。つまり、鍔部３３の表面と円柱部３６の表面とは、滑らかに接続されている。

＜端子金具４０＞
端子金具４０は、図１に示すように、軸線方向に延びる棒状の部材であり、その後端部が絶縁体１０の外部に露出するように、絶縁体１０の軸孔１１の後端側に保持されている。端子金具４０は、軸孔１１内において、中心電極３０よりも後端側に配置されている。端子金具４０は、導電性の金属材料（例えば、低炭素鋼）で構成される。端子金具４０の表面には、防食等の目的でニッケル等のメッキが施されてもよい。端子金具４０は、軸線方向の所定位置に形成された鍔部４１と、鍔部４１よりも後端側に位置する端子接続部４２と、鍔部４１よりも先端側の脚部４３と、を備えている。脚部４３は、絶縁体１０の軸孔１１に挿入されている。端子接続部４２は、絶縁体１０よりも後端側に露出している。端子接続部４２には、図示しない高圧ケーブルが接続されたプラグキャップが装着され、放電を発生するための高電圧が印加される。

＜抵抗体５０＞
抵抗体５０は、図１に示すように、絶縁体１０の軸孔１１内において、端子金具４０の先端と中心電極３０の後端との間に配置される。抵抗体５０は、例えば、１ｋΩ以上の抵抗値（例えば、５ｋΩ）を有し、火花発生時の電波ノイズを低減する機能等を備えている。

＜シール部材６０、７０＞
軸孔１１における抵抗体５０の先端と中心電極３０の後端との間には、導電性を有するシール部材６０が配置されている。シール部材６０は、軸孔１１の内部において鍔部３３と頭部３４との周囲に充填されており、頭部３４の全体と、鍔部３３のうち頭部３４側の一部が、シール部材６０に埋設されている。また、軸孔１１における抵抗体５０の後端と端子金具４０の先端との間には、導電性を有するシール部材７０が配置されている。シール部材６０、７０は、導電性を有する材料、例えば、金属粒子（Ｃｕ、Ｆｅなど）と、Ｂ_２Ｏ_３－ＳｉＯ_２系等のガラス粒子とを含む組成物で形成されている。

＜接地電極８０＞
接地電極８０は、全体的には途中で略Ｌ字状に折れ曲がった形状を有し、その後端が主体金具２０の先端に接合される。そして、その先端部が中心電極３０の先端にあるチップ３２と間隔を保ちつつ対向するように配される。接地電極８０と主体金具２０とは、例えば、互いに抵抗溶接、レーザ溶接等によって接合される。これにより、接地電極８０と主体金具２０とは、互いに電気的に接続される。接地電極８０は、例えば、ニッケル又はニッケル基合金からなる。

中心電極３０の先端にあるチップ３２と、接地電極８０の先端部との間には、隙間があり、中心電極３０と接地電極８０との間に高電圧が印加されると、その隙間において、概ね軸線ＡＸに沿った形で、火花放電が発生する。

＜スパークプラグ１の製造工程＞
上記の構成のスパークプラグ１の製造工程の一例を、以下に説明する。まず、中心電極本体３１となる電極基材１００を準備する。電極基材１００は、図３に示すように、中心電極本体３１と同様に鍔部３３と軸部３５とを備えているとともに、ストレート部１０１を備えている。ストレート部１０１は、全長にわたって外径が一定の円柱状をなし、鍔部３３から軸部３５と反対方向に延びている。また、ストレート部１０１の後端側の面には窪みが形成されている。この電極基材１００を、軸孔１１の内部に第２内径部１４側（図３の上側）から挿入する。鍔部３３が段部１３の内周面に支持され、ストレート部１０１が第２内径部１４内に配置され、軸部３５が第１内径部１２内に配置される。

次に、プレスピン（図示せず）を軸孔１１内に挿入し、軸孔１１内に配置されたストレート部１０１の後端部をプレスする。ストレート部１０１の後端部は、後端面に窪みが形成されているため、適度な荷重のプレスによって潰されるように変形され、拡径部３７となる。ストレート部１０１のうち変形されなかった鍔部３３側の部分は、円柱部３６となる。このようにして、中心電極本体３１が形成される。

中心電極本体３１の形成後、シール部材６０の原料粉末を、第２内径部１４側から軸孔１１の内部に注ぎ入れ、鍔部３３と頭部３４との周りに充填する。次いで、プレスピンを用いて、充填されたシール部材６０の原料粉末を予備圧縮する。

予備圧縮後のシール部材６０の原料粉末の上に、抵抗体５０の原料粉末を充填し、予備圧縮する。次いで、予備圧縮後の抵抗体５０の原料粉末の上に、シール部材７０の原料粉末を充填し、予備圧縮する。

次に、端子金具４０を軸孔１１の内部に第２内径部１４側から挿入する。端子金具４０が挿入された絶縁体１０を電気炉内に設置し、シール部材６０、７０および抵抗体５０の原料粉末を端子金具４０により圧縮しつつ、加熱する。各原料粉末が圧縮・焼結され、シール部材６０、７０および抵抗体５０が形成される。

その後、主体金具２０の組み付けや接地電極８０の加工等の必要な工程を施し、スパークプラグ１が完成する。

なお、上記の製造工程では、電極基材１００を軸孔１１の内部に挿入した後、プレスを行って拡径部３７を形成し、その後にシール部材６０を充填したが、他の製造方法も採用可能である。例えば、あらかじめ拡径部３７を形成した中心電極３０を軸孔１１の内部に挿入して、その後シール部材６０を充填しても構わない。他には、電極基材１００を軸孔１１の内部に挿入した後、電極基材１００の後端が露出する範囲でシール部材６０の一部を充填し、その後プレスを行って拡径部３７を形成し、そして残りのシール部材６０を充填してもよい。

＜作用効果＞
中心電極３０と接地電極８０との間に高電圧が印加されると、その隙間において、概ね軸線ＡＸに沿った形で、火花放電が発生する。シール部材６０は、中心電極３０を軸孔１１内に固定するとともに、抵抗体５０およびシール部材７０を介して中心電極３０と端子金具４０との導通を図っている。

燃焼室内で混合気が燃焼する際には、燃焼圧により、中心電極３０に対して軸線方向への圧力が加わる。これにより、シール部材６０の固着力が低下し、中心電極３０にがたつき（緩み）が生じることが懸念される。

中心電極の頭部が、鍔部から離れるほど径が大きくなる拡径形状を有していると、中心電極が軸線方向の後端側へ動くことが抑制されるため、中心電極の緩みを抑制することができる。これは、拡径形状の部分がシール部材によって軸線方向の両側から固定されるためである。また、中心電極の後端面とシール部材との接触面積が増大することにより、中心電極が燃焼圧を受けたときの、中心電極からシール部材へ作用する圧力が減少し、シール部材が圧縮されにくくなるためである。しかしながら一方で、従来の構成では、頭部の全体が拡径形状を有していることにより、鍔部の表面と頭部の外周面とで形成される角部が鋭角をなしている。このため、製造工程において、この角部にシール部材が充分に行き渡らず、空隙が生じてしまうおそれがある。このような空隙が生じると、中心電極とシール部材との固着力が低下する。また、中心電極は内燃機関からの受熱によって熱膨張する。頭部の全体が拡径形状を有していると、拡径部分の先端部に応力が集中しやすくなるため、先端部の近傍においてシール部材が破壊されるおそれがある。これらにより、拡径形状による中心電極の緩みの抑制効果が限定的となってしまうことが懸念される。

本実施形態では、頭部３４が、鍔部３３に連なり、外径が一定な円柱部３６と、円柱部３６に連なる拡径部３７とを備えている。加えて、鍔部３３の表面と円柱部３６の表面とは、滑らかに接続されている。このような構成によれば、従来の構成と比較して、製造工程において、鍔部３３と頭部３４との周囲にシール部材６０を充分に行き渡らせることができ、特に、鍔部３３の表面と頭部３４の表面との接続部分３８において、シール部材６０を充分に行き渡らせることができ、中心電極３０とシール部材６０との固着力を確保することができる。

また、円柱部３６においては、熱膨張による力が、径方向（軸線方向に対して垂直な方向）にしか伝わらず、円柱部３６の周囲に均等に分散される。これにより、拡径部３７の後端部への応力集中を緩和することができる。

以上により、中心電極３０の緩みを抑制し、着火性能の低下を回避することができる。

特に、近年、車両の内燃機関には小型化、小排気量化が求められており、この要請に応えるため、過給エンジンが使用されるようになっている。過給エンジンにおいては燃焼圧が従来よりも増大する傾向にあるため、中心電極３０に対する軸線方向の圧力も大きくなる。

一方、内燃機関の小型化、小排気量化に伴って、スパークプラグ１を構成する各部材は小型化、小径化されており、中心電極３０も小型化、小径化されている。これにより、中心電極３０の表面積が小さくなり、中心電極３０とシール部材６０との接触面積も小さくなる。このため、シール部材６０による固着力が低下し、緩みが発生しやすくなる。このような小型で小径のスパークプラグ１において、上記の構成を好適に適用できる。より具体的には、第２内径部１４の内径が３．１ｍｍ以下である場合に、上記の構成を好適に適用できる。あるいは、円柱部３６の軸線方向における長さが１．９ｍｍ以下である場合に、上記の構成を好適に適用できる。なお、円柱部３６の軸線方向における長さは、外径が
一定な部分における長さを指す。

１：スパークプラグ
１０：絶縁体
１１：軸孔
１２：第１内径部
１３：段部
１４：第２内径部
３０：中心電極
３３：鍔部
３４：頭部
３５：軸部
３６：円柱部
３７：拡径部
６０：導電性シール部材

Claims

軸線方向に延びる軸孔が形成された絶縁体と、
前記軸孔の前記軸線方向の先端側に配置された中心電極と、を備え、
前記軸孔は、前記軸線方向の先端側から順に、第１内径部と、前記軸線方向の後端側に向かうにつれて内径が大きくなる段部と、前記第１内径部より内径の大きい第２内径部と、を有し、
前記中心電極は、先端側が前記段部に支持され、後端側が１段である鍔部と、前記鍔部の後端側から前記軸線方向の後端側に延びて前記第２内径部に配置される頭部と、前記鍔部の先端側から前記軸線方向の先端側に延びて前記第１内径部に配置される軸部と、を有し、
前記軸孔の内部において前記鍔部と前記頭部との周囲に充填される導電性シール部材を備えるスパークプラグであって、
前記頭部は、前記鍔部に連なり、外径が一定な円柱状をなす円柱部と、前記円柱部に連なり、前記鍔部から離れるほど外径が大きくなる拡径部と、を備え、
前記中心電極は、前記鍔部の表面と前記円柱部の表面とが滑らかに接続される、スパークプラグ。
前記第２内径部の内径が３．１ｍｍ以下である、請求項１に記載のスパークプラグ。
前記円柱部の前記軸線方向における長さが１．９ｍｍ以下である、請求項１または請求項２に記載のスパークプラグ。