CN102598442A

CN102598442A - 火花塞

Info

Publication number: CN102598442A
Application number: CN2011800043872A
Authority: CN
Inventors: 岛村拓也; 加藤友聪; 弓野次郎; 宫下直道
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2011-08-08
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2031-08-08
Also published as: KR20120088765A; EP2479855B1; EP2479855A1; US20120267995A1; JP2012069251A; EP2479855A4; JP4928626B2; US8624475B2; CN102598442B; KR101392135B1; WO2012039090A1

Abstract

公开了一种火花塞，其具有能通过改变绝缘体与板状密封件等的接触状态而不增大绝缘体厚度而获得良好耐破损性的绝缘体。火花塞(1)包含陶瓷绝缘体(2)、板状密封件(22)和金属壳(3)。陶瓷绝缘体(2)的外周面具有台阶部(14)，台阶部(14)具有沿轴线(CL1)方向朝向前端侧减小的外径，陶瓷绝缘体(2)具有沿轴线(CL1)方向朝向前端侧延伸的腿部(13)。金属壳(3)的内周面具有锥形部(21)，锥形部(21)具有沿轴线(CL1)方向朝向前端侧减小的内径。陶瓷绝缘体(2)在台阶部(14)经由板状密封件(22)被保持于锥形部(21)上的状态下被固定于金属壳(3)。陶瓷绝缘体(2)还具有曲面部(31)，曲面部(31)在台阶部(14)和腿部(13)之间的位置处在绝缘体的外周面上形成凹形。这里，板状密封件(22)的内周缘部(IP)的周向上的50％以上与陶瓷绝缘体(2)的位于曲面部(31)的中间区域(CP)的前端侧的部分接触。

Description

火花塞

技术领域

本发明涉及内燃机中使用的火花塞。

背景技术

火花塞被安装到内燃机(有时仅称为“发动机”)中并且用于发动机的燃烧室中的空气-燃料混合物的点火。通常，火花塞包括形成有轴向孔的绝缘体、插入轴向孔的前端侧的中心电极、插入轴向孔的后端侧的端子电极、配置于绝缘体的外周的金属壳和接合到金属壳的前端部以在中心电极和接地电极之间限定放电间隙的接地电极。通过对中心电极施加高电压，在中心电极和接地电极之间的放电间隙产生火花放电，使得空气-燃料混合物能够被该火花放电点火。

在绝缘体的外周面的台阶部被保持在金属壳的内周面的锥形部上的情况下，通过将金属壳的后端开口部径向向里弯边而将绝缘体插入并固定在金属壳中。通常将环形的板状密封件布置在金属壳的锥形部和绝缘体的台阶部之间以防止空气-燃料混合物等经由金属壳和绝缘体之间泄漏到外部(参见例如专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-190762号公报

发明内容

发明要解决的问题

在近年来的高输出发动机中，存在绝缘体由于振动等受到较大冲击的趋势。另一方面，要求减小绝缘体的厚度以减小火花塞的尺寸和直径。因此，即使由于冲击等作用在绝缘体上的应力增大，也难以通过增大绝缘体的厚度来确保绝缘体的承受应力的强度。特别地，在绝缘体中，很可能的是由于冲击等引起的应力将集中在台阶部与从台阶部的前端朝向前端侧延伸的腿部之间的边界区域。这导致裂纹更可能产生在台阶部和腿部之间的所述边界区域中。

考虑到上述情况而完成本发明。本发明的目的是提供一种火花塞，所述火花塞具有能通过改变绝缘体的形状和与板状密封件的接触状态而不增大绝缘体厚度而获得良好的耐破损性的绝缘体。

用于解决问题的方案

在下文中，将说明适用于实现本发明的目的的方案。各个方案的具体功能和效果也将在需要时在下面进行说明。

方案1

一种火花塞，其包括：筒状的绝缘体，其沿所述火花塞的轴线方向延伸；环形的板状密封件；以及筒状的金属壳，其围绕所述绝缘体的外周配置，所述绝缘体包括台阶部和腿部，所述台阶部形成于所述绝缘体的外周面并且具有沿所述轴线方向朝向前端侧减小的外径，所述腿部位于所述台阶部的前端侧并且沿所述轴线方向朝向前端侧延伸，所述金属壳包括锥形部，所述锥形部形成于所述金属壳的内周面并且具有沿所述轴线方向朝向前端侧减小的内径，在所述绝缘体的台阶部经由所述板状密封件被保持于所述金属壳的锥形部的状态下，通过对所述金属壳的后端部进行弯边而将所述绝缘体固定于所述金属壳，所述绝缘体还包括曲面部，所述曲面部在所述台阶部和所述腿部之间的位置处在所述绝缘体的外周面形成为凹形，所述板状密封件的内周缘部的周向上的50％以上与所述绝缘体的位于所述曲面部的前后端之间的中间区域的前端侧的部分接触。

这里，“曲面部的中间区域”意味着当在经过轴线的截面中观察时位于曲面部的外形线之间的中点(midway)的区域。

方案2

根据方案1的火花塞，其中，所述板状密封件的内周缘部的整周与所述绝缘体的位于所述曲面部的前后端之间的中间区域的前端侧的部分接触。

方案3

根据方案1或2的火花塞，其中，所述火花塞满足关系式0.8≤G≤1.4，其中G是所述曲面部在经过所述轴线的截面中的曲率半径，G的单位是mm。

在曲面部的曲率半径不恒定的情况下，“曲率半径G”意味着在经过轴线的截面中，经过下述三个点的假想圆的曲率半径：曲面部的前后端点以及曲面部的前后端点的中点。

方案4

根据方案1至3中任意方案的火花塞，其中，所述绝缘体包括：位于所述台阶部的后端侧并且沿所述轴线方向延伸的筒状的中间主体部；以及在所述台阶部和所述中间主体部之间的位置处在所述绝缘体的外周面形成为凸形的第二曲面部，其中，所述火花塞满足关系式1.0≤G/H≤3.0，其中在经过所述轴线的截面中，G是首先提及的曲面部的曲率半径，G的单位是mm；H是所述第二曲面部的曲率半径，H的单位是mm。

在第二曲面部的曲率半径不恒定的情况下，“曲率半径H”意味着在经过轴线的截面中，经过下述三个点的假想圆的曲率半径：第二曲面部的前后端点以及第二曲面部的前后端点的中点。

方案5

根据方案1至4中任意方案的火花塞，其中，所述火花塞满足关系式α≥β，其中在经过所述轴线的截面中，α是由所述台阶部的外形线和与所述轴线垂直的直线形成的锐角，α的单位是度；β是由所述锥形部的外形线和与所述轴线垂直的直线形成的锐角，β的单位是度。

方案6

根据方案5的火花塞，其中，所述火花塞满足关系式α≤β+15°。

方案7

根据方案1至6中任意方案的火花塞，其中，所述绝缘体包括位于所述台阶部的后端侧并且沿所述轴线方向延伸的筒状的中间主体部；所述火花塞还包括插入在所述绝缘体中并且沿所述轴线方向延伸的中心电极，所述中心电极的前端在所述轴线方向上位于所述绝缘体的前端的前端侧；其中所述火花塞满足关系式D/A≤1.00mm和(B/A)/L≥0.20mm^-1，其中A是所述绝缘体的在与所述轴线方向垂直的方向上在所述金属壳的前端处截取的截面积，A的单位是mm²；B是所述绝缘体的在与所述轴线方向垂直的方向上在所述腿部的后端处截取的截面积，B的单位是mm²；L是从所述中间主体部和所述台阶部之间的边界区域到所述绝缘体的前端的在所述轴线方向上的长度，L的单位是mm；D是所述中心电极的从所述中心电极的前端延伸到距所述绝缘体的前端向后端侧1mm位置的部分的体积，D的单位是mm³。

在第二曲面部形成于中间主体部和台阶部之间的情况下，“中间主体部和台阶部之间的边界区域”意味着从中间主体部朝向轴线方向上的前端侧延伸的假想面与从台阶部朝向轴线方向上的后端侧延伸的假想面交叉的区域。

方案8

根据方案1至7中任意方案的火花塞，其中，当所述绝缘体的在所述轴线方向上位于所述金属壳的前端的前端侧的部分被投影到与所述轴线平行的假想平面上时，投影面积为14.0mm²以下。

方案9

根据方案1至8中任意方案的火花塞，其中，所述绝缘体的前端部包括直管状的直部，所述直部具有恒定外径并且所述直部的前端在所述轴线方向上位于所述金属壳的前端的前端侧。

方案10

根据方案9的火花塞，其中，所述直部的后端在所述轴线方向上位于所述金属壳的前端的后端侧。

发明的效果

本发明的发明人对绝缘体的台阶部和腿部之间的边界区域中容易发生破损的因素进行了研究，结果发现边界区域中的破损的主要原因是由于弯边而施加于绝缘体上的应力和由于外力而施加于绝缘体上的应力，所述外力例如是集中到边界区域上的冲击。

在方案1的火花塞中，曲面部形成于台阶部和腿部之间。由于外力而施加于边界区域上的应力，由此能够被有效地分散。

另外，在方案1的火花塞中，板状密封件的内周缘部与绝缘体的位于曲面部的中间区域的前端侧的部分接触。因为绝缘体的与板状密封件的内周缘部接触的部分最大地承受由于弯边而产生的应力，所以绝缘体的最大地承受由于外力而产生的应力的部分(即曲面部的中间区域及其附近)与绝缘体的最大地承受由于弯边而产生的应力的部分的位置不同。施加于绝缘体的应力由此能够被更有效地分散。因为板状密封件的内周缘部的周向上的50％以上与绝缘体的位于曲面部的中间区域的前端侧的部分接触，所以由于弯边而施加于绝缘体的应力和由于外力而施加于绝缘体的应力能够被广泛地在周向上分散。

如上所述，在方案1的火花塞中，可以非常有效地分散施加于绝缘体的在台阶部和腿部之间的边界区域上的应力，由此可以显著地提高绝缘体的耐破损性而无需增大绝缘体的厚度。

在方案2的火花塞中，由于弯边而施加于绝缘体的应力和由于外力而施加于绝缘体的应力能够被分散在整周上。由此可以进一步提高绝缘体的耐破损性。

在方案3的火花塞中，曲面部的曲率半径G被设定为0.8mm以上的较大的值。由此可以更有效地分散由于外力而施加于曲面部上的应力，由此可以进一步提高绝缘体的耐破损性。

当曲率半径G太大时，金属壳的锥形部在弯边期间的变形量过大以至于绝缘体中可能产生破损。然而，在方案3的火花塞中，曲面部的曲率半径G被设定为1.4mm以下并且不被设定为太大的值。由此可以限制锥形部在弯边期间的变形并且更确实地防止绝缘体的破损。

在方案4的火花塞中，第二曲面部形成于台阶部和中间主体部之间；并且第二曲面部的曲率半径H(mm)被设定为满足关系式G/H≤3.0。由于弯边而施加于曲面部的应力由此能够被减小。

另外，第二曲面部的曲率半径被设定为满足关系式1.0≤G/H(即，H≤G)。在该情况下，通过外力积极地在小曲率半径的第二曲面部上施加应力。由于外力而施加于首先提及的曲面部的应力由此能够被减小。

如上所述，在方案4的火花塞中，可以减小由于弯边而施加在曲面部上的应力和由于外力而施加在曲面部上的应力两者，由此可以进一步提高绝缘体的耐破损性。

当台阶部的角度α和锥形部的角度β被设定为满足关系式α＜β，台阶部的径向外部区域与板状密封件接触。在该情况下，曲面部在弯边期间被中间主体部加压从而将大应力径向向内地施加在曲面部上。另外，板状密封件可能会径向向内地变形。结果，当被板状密封件的内周缘部加压时，绝缘体可能产生破损。

在这一点上，在方案5的火花塞中，角度α和β被设定为满足关系式α≥β。径向向内地施加在曲面部上的应力可以被减小到充分小的程度。另外，板状密封件的径向向内变形能够被确实地限制。由此可以进一步提高绝缘体的耐破损性并且更确实地防止绝缘体在弯边期间的破损。

如上所述通过满足α≥β，能够提高绝缘体的耐破损性。然而，当角度α比角度β大太多时，台阶部的仅前端部与板状密封件接触。在该情况下，由于台阶部和板状密封件之间的接触面积不充分而可能发生密封性劣化。

在这一点上，在方案6的火花塞中，角度α和β被设定为满足关系式α≤β+15。由于台阶部在径向上广泛地与板状密封件接触，所以可以充分地提高板状密封件的密封效果。

在方案7的火花塞中，当满足D/A≤1.00(mm)时，绝缘体的前端部的截面积A相对于中心电极的前端部的体积D被设定为充分大的值。在该情况下，绝缘体的前端部具有抵抗中心电极的前端部的重量的充分的强度。即使中心电极的前端部由于冲击等而与绝缘体碰撞，仍可以更确实地防止绝缘体的前端部的破损。

另外，当满足(B/A)/L≥0.20(即B≥0.2·L·A)时，腿部的后端部的截面积B被设定为大于或等于腿部的长度L乘以陶瓷绝缘体的前端部的截面积A的值(即与通过冲击能够被施加到腿部的后端部的应力对应的值)进一步乘以系数0.2。由于腿部的后端部具有抵抗应力的充分的强度，所以可以更确实地防止腿部的后端部的破损。

在方案8的火花塞中，由于爆震等施加于绝缘体的从金属壳的前端突出的部分上的冲击能够被减小到充分小的程度。由此可以进一步减小绝缘体上的应力，以进一步提高绝缘体的耐破损性。

在方案9的火花塞中，直部形成于绝缘体的前端部。由此可以有效地减小由于爆震等施加于绝缘体的前端部上的冲击，以进一步提高绝缘体的耐破损性。

在方案10的火花塞中，可以更有效地减小施加于绝缘体的前端部上的冲击，以进一步提高绝缘体的耐破损性。

附图说明

图1是根据本发明的实施方式的火花塞的部分剖视正视图。

图2是火花塞的包括板状密封件和绝缘体的台阶部等的部分的放大剖视图。

图3是示出绝缘体的曲面部的中间区域和板状密封件的内周缘部之间的位置关系的一个实施例的透视图。

图4是示出绝缘体的曲面部的中间区域和板状密封件的内周缘部之间的位置关系的另一个实施例的透视图。

图5是示出绝缘体的曲面部的中间区域和板状密封件的内周缘部之间的位置关系的又一个实施例的透视图。

图6是火花塞的前端部的放大剖视图。

图7是火花塞的当投影到假想平面上时的投影图。

图8是示出绝缘体上的直线部的形成位置的示意剖视图。

图9是示出具有多种曲率半径G的曲面部的火花塞样品的弯曲测试结果的图表。

图10是示出具有多种曲率半径G的曲面部的各火花塞样品的锥形部变形量的图表。

图11是示出多种G/H的火花塞样品的弯曲测试结果的图表。

图12是示出多种α和β的火花塞样品的弯曲测试结果的图表。

具体实施方式

下面将参照附图说明本发明的一个示例性实施方式。图1是根据本发明的一个示例性实施方式的火花塞1的部分剖视正视图。注意，火花塞1的轴线CL1的方向与图1的上下方向对应，在图1中，火花塞1的前端侧和后端侧分别被示出于图1的下侧和上侧。

火花塞1包含作为绝缘体的筒状陶瓷绝缘体2和在其中保持该陶瓷绝缘体2的筒状的金属壳3。

如通常已知的，陶瓷绝缘体2由烧结氧化铝形成。陶瓷绝缘体2的外形包括形成在绝缘体2的后端侧的后端侧主体部10、形成于后端侧主体部10的前端侧并且径向向外突出的大径部11、形成于大径部11的前端侧并且直径比大径部11小的中间主体部12、形成于中间主体部12的前端侧并且直径比中间主体部12小的腿部13。陶瓷绝缘体2的大径部11、中间主体部12和腿部13的大部分被收容在金属壳3中。陶瓷绝缘体2还具有台阶部14，该台阶部14以台阶部14的外径沿轴线CL1的方向朝向前端侧减小的方式在中间主体部12和腿部13之间的位置处形成于陶瓷绝缘体2的外周面。陶瓷绝缘体2借助于台阶部14被保持在金属壳3中。

沿轴线CL1的方向贯通陶瓷绝缘体2地形成轴向孔4。中心电极5被插入并且固定于轴向孔4的前端侧。中心电极5由包含作为主要成分的镍(Ni)的Ni合金(诸如Inconel 600(商标))制成并且整体上形成为棒状(圆柱状)。中心电极5的前端具有平坦的前端面并且从陶瓷绝缘体2的前端突出。中心电极5可以具有由导热率高的铜或铜合金制成的内层，从而提高中心电极5的热辐射特性以提高耐消耗性。

以端子电极6的后端部从陶瓷绝缘体2的后端突出的状态，将端子电极6插入并固定于轴向孔4的后端侧。

圆柱状的电阻元件7在轴向孔4内被布置于中心电极5和端子电极6之间并且其相反的两端中的一端经由导电玻璃密封层8电连接到中心电极5而另一端经由导电玻璃密封层9电连接到端子电极6。

金属壳3由诸如低碳钢等金属制成并且形成为筒状。金属壳3的外周面具有螺纹部(外螺纹部)15和形成于螺纹部15的后端侧的座部16，其中螺纹部15形成为用于将火花塞1安装到燃烧设备(诸如内燃机、燃料电池处理装置等)。环状垫圈18装配于螺纹部15后端的螺纹颈部17。金属壳3的后端侧还具有形成为截面为六边形的工具接合部19和形成为用于保持陶瓷绝缘体2的弯边部20，其中工具接合部19用于与诸如扳手等用于将火花塞1安装到燃烧设备的工具接合。在本实施方式中，火花塞1的尺寸减小到螺纹部15具有较小螺纹直径尺寸(例如M12以下)的程度。

金属壳3的内周具有锥形部21，锥形部21以内径沿轴线CL1朝向前端侧减小的方式形成。陶瓷绝缘体2从后端侧朝向前端侧插入金属壳3并且通过将金属壳3的开口后端部径向向内弯边由此形成弯边部20而固定在金属壳3中，同时陶瓷绝缘体2的台阶部14被保持于金属壳3的锥形部21上。另外，火花塞1包含保持于陶瓷绝缘体2的台阶部14和金属壳3的锥形部21之间的环形的板状密封件22，以维持燃烧室的气密性并且防止燃料气体经由金属壳3的内周面和暴露到燃烧室的陶瓷绝缘体2的腿部13之间的空间泄露到外部。

为了通过弯边确保更完全的密封，圆环状构件23和24在金属壳3的后端部内布置于金属壳3和陶瓷绝缘体2之间；并且滑石粉25被填充于环状构件23和24之间。换言之，金属壳3经由板状密封件22、环状构件23和24以及滑石25将陶瓷绝缘体2保持于金属壳3中。

接地电极27接合到金属壳3的前端部26并且在接地电极27的中间部以接地电极27的末端部侧面面对中心电极5的前端面的方式弯曲。由此在中心电极5的前端部和接地电极27的末端部之间限定放电间隙28，使得火花放电基本上沿着轴线CL1的方向在放电间隙28内产生。

在本实施方式中，如图2所示，陶瓷绝缘体2的外周面具有在台阶部14和腿部13之间的位置处形成为凹状的曲面部31以及在台阶部14和中间主体部12之间的位置处形成为凸状的第二曲面部32。如图3所示，板状密封件22的内周缘部IP的整周与陶瓷绝缘体2的位于曲面部31的前后端之间的中间区域CP的前端侧的部分接触。(图3是沿轴线CL1的方向从前端侧观察的板状密封件22的示意性投影图。)即，内周缘部IP位于中间区域CP的内侧。

不必内周缘部IP的整周与绝缘陶瓷体2的位于中间区域CP的前端侧的部分接触。内周缘部IP的周向的50％以上与绝缘陶瓷体2的位于中间区域CP的前端侧的部分接触就足够。例如，如图4所示，可以内周缘部IP的周向的50％与陶瓷绝缘体2的位于中间区域CP的前端侧的部分接触。如图5所示，可以内周缘部IP的周向的75％与陶瓷绝缘体2的位于中间区域CP的前端侧的部分接触。

还如图2所示，火花塞1适于满足关系式0.8≤G≤1.4，其中G(mm)是曲面部31在经过轴线CL1的截面中的曲率半径。火花塞1另外适于满足关系式1.0≤G/H≤3.0，其中，在经过轴线CL1的截面中，H(mm)是第二曲面部32的曲率半径。曲面部31的曲率半径和第二曲面部32的曲率半径在本实施方式中被设定为恒定。

而且，火花塞1适于不仅满足关系式α≥β而且适于满足关系式α≤β+15，其中，在经过轴线CL1的截面中，α(°)是由台阶部14的外形线和与轴线CL1垂直的直线形成的锐角，β(°)是由锥形部21的外形线和与轴线CL1垂直的直线形成的锐角。

如图6所示，火花塞1还适于满足关系式D/A≤1.00(mm)和(B/A)/L≥0.20(mm^-1)，其中A(mm²)是沿与轴线CL1的方向垂直的方向在金属壳3的前端处截取的陶瓷绝缘体2的截面积；B(mm²)是沿与轴线CL1的方向垂直的方向在腿部13的后端处截取的陶瓷绝缘体2的截面积；L(mm)是沿轴线CL1的方向从中间主体部12和台阶部14的边界区域(即本实施方式中的第二曲面部32的中间区域)到陶瓷绝缘体2的前端的长度；并且D(mm³)是中心电极5的从中心电极5的前端延伸到距陶瓷绝缘体2的前端向后端侧1mm的位置的部分的体积(在图6中由散点阴影线表示)。

也就是，当满足D/A≤1.00时，陶瓷绝缘体2的前端部的截面积A被设定为相对于中心电极5的前端部的体积为充分大的值；当满足(B/A)/L≥0.20(即B≥0.2·L·A)时，腿部13的后端部的截面积B被设定为大于或等于腿部13的长度L乘以陶瓷绝缘体2的前端部的截面积A的值(即与能够通过冲击等被施加到腿部13的后端部的应力对应的值)再乘以系数0.2。

在本实施方式中，陶瓷绝缘体2的前端从金属壳3的前端突出的长度F被设定为5mm以下的较小值，以防止陶瓷绝缘体2的前端部的过热。

如图7所示，当陶瓷绝缘体2的在轴线CL1的方向上位于金属壳3的前端的前端侧的部分被投影到与轴线CL1平行的假想平面VS时，投影部PS(如图7中的散点阴影线所示)具有14.0mm²以下的较小面积。

另外，如图8所示，恒定外径的直管状的直部33形成于陶瓷绝缘体2的前端部。直部33的前端33A在轴线CL1的方向上位于金属壳3的前端的前端侧，而直部33的后端33B在轴线CL1的方向上位于金属壳3的前端的后端侧。

下面将说明上述结构的火花塞1的制造方法。

首先加工金属壳3。更具体地，通过冷锻圆柱状金属材料(诸如铁基材料，例如S17C或S25C或不锈钢材料)以在金属材料中形成贯通孔并且将金属材料形成为大概形状，然后切削加工金属材料的外形，而加工半成品金属壳构件。

提供直棒状的Ni合金材料的接地电极27并且通过电阻焊将接地电极27接合到半成品金属壳构件的前端面。在焊接时产生毛边。在去除焊接毛边之后，在半成品金属壳构件的指定区域上通过部件滚轧(component rolling)形成螺纹部15。所产生的已经焊接有接地电极27的金属壳3经受镀锌或镀镍并且可以进一步经受铬酸盐表面处理以提高抗腐蚀性。

通过与金属壳3分开地成形而加工陶瓷绝缘体2。例如，可以通过利用粘合剂将氧化铝基原料粉末制备成造粒材料、将所制备的材料压胶成形(rubber-press)为筒状体、通过切削加工成形体的外形而整形、然后烧结成形体来加工陶瓷绝缘体2。

也通过锻造Ni合金材料而加工中心电极5。

另外，通过模切比金属壳3的金属材料软的软钢板、然后对模切材料进行渗碳或碳氮共渗处理而加工环形的板状密封件22。板状密封件22在这里形成有较小内径(与腿部13的后端的外径一样小)。另外，板状密封件22在组装之前基本上为板状。

陶瓷绝缘体2、中心电极5、电阻元件7和端子电极6通过玻璃密封层8和9被固定在一起。一般情况下，通过将硼硅玻璃与金属粉末混合而制备玻璃密封层8、9的材料。所制备的材料以将电阻元件7夹在中间的方式被填充到陶瓷绝缘体2的轴向孔4中。在端子电极6从后端侧被压入所制备的材料的状态下，所填充的材料通过在烧结炉内烧结而固化。此时，可以在陶瓷绝缘体2的后端侧主体部10的表面上同时或提前形成釉料层。

此后，通过将板状密封件22放置在锥形部21上、经由金属壳2的开口后端部插入陶瓷绝缘体2、利用具有与弯边部22的形状对应的凹部的预定夹具沿轴线CL1的方向朝向前端侧压金属壳3的后端部由此将金属壳3的后端部径向向内弯边(即形成弯边部20)，而将陶瓷绝缘体2固定在金属壳3中。通过该弯边处理，基本上平板状的板状密封件22沿着台阶部14和锥形部21被挤压变形从而使板状密封件22附着到台阶部14和锥形部21并且使板状密封件22的整个内周缘部IP与陶瓷绝缘体2的位于中间区域CP的前端侧的部分接触。

接地电极27在其大致中间部弯曲，由此在中心电极5和接地电极27之间限定并调节放电间隙28。以此方式，完成火花塞1。

如上所述，在本实施方式中，曲面部31形成于台阶部14和腿部13之间。由于外力施加于曲面部31上的应力由此能够被有效地分散。

另外，板状密封件22的内周缘部IP与陶瓷绝缘体2的位于曲面部31的中间区域CP的前端侧的部分接触。因为陶瓷绝缘体2的与板状密封件22的内周缘部IP接触的部分最大地承受由于弯边而产生的应力，所以陶瓷绝缘体2的最大地承受由于外力而产生的应力的部分(即曲面部31的中间区域CP及其附近)与陶瓷绝缘体2的最大地承受由于弯边而产生的应力的部分的位置不同。施加于陶瓷绝缘体2上的应力由此能够被更有效地分散。在本实施方式中，板状密封件22的内周缘部IP的整周与陶瓷绝缘体2的位于曲面部31的中间区域CP的前端侧的部分接触。由于弯边施加于陶瓷绝缘体2上的应力和由于外力施加于陶瓷绝缘体2上的应力两者均能够由此被分散于整周。

因此，在本实施方式中可以非常有效地分散施加于陶瓷绝缘体2的位于台阶部14和腿部13之间的边界区域上的应力并且显著提高陶瓷绝缘体2的耐破损性而不增大陶瓷绝缘体2的厚度。本发明对于螺纹部15具有如本实施方式中那样的较小螺纹直径尺寸以至于难以增大陶瓷绝缘体2的厚度的火花塞1是特别有意义的。

因为曲面部31的曲率半径G被设定为0.8mm以上的较大值，所以可以更有效地分散由于外力而施加于曲面部31上的应力并且进一步提高陶瓷绝缘体2的耐破损性。当曲面部31的曲率半径G被设定为1.4mm以下时还可以限制锥形部21在弯边期间的变形并且更确实地防止陶瓷绝缘体2的破损。

还在台阶部14和中间主体部12之间形成第二曲面部32；并且第二曲面部32的曲率半径H(mm)被设定为满足关系式G/H≤3.0。由此可以减小由于弯边而施加于曲面部31上的应力和由于外力而施加于曲面部31上的应力两者并且进一步提高陶瓷绝缘体2的耐破损性。

角度α和β被设定为满足α≥β。在该情况下，径向向内地施加于曲面部31上的应力能够被减小到足够小的程度。另外，板状密封件22的径向向内的变形能够被确实地限制。由此可以进一步提高陶瓷绝缘体2的耐破损性并且更确实地防止陶瓷绝缘体2在弯边期间的破损。另一方面，角度α和β被设定为满足α≤β+15。当使台阶部14在径向上宽范围地与板状密封件22接触时，可以充分地发挥板状密封件22的气密性提高效果。

当满足D/A≤1.00(mm)时，陶瓷绝缘体2的前端部的截面积A被设定成相对于中心电极5的前端部的体积D充分大的值。在该情况下，陶瓷绝缘体2的前端部具有抵抗中心电极5的前端部的重量的充分的强度。由此可以更确实地防止陶瓷绝缘体2的前端部的破损。当满足(B/A)/L≥0.20(即B≥0.2·L·A)时，由于腿部13的后端部具有抵抗应力的充分的强度，所以还可以更确实地防止腿部13的后端部的破损。

当投影部PS的面积被设定为14.0mm²以下时，由爆震等施加于陶瓷绝缘体2的从金属壳3的前端突出的部分上的冲击能够被减小到足够小的程度。由此可以进一步减小陶瓷绝缘体2上的应力并且提高陶瓷绝缘体2的耐破损性。

而且，直部33以直部33的后端33B位于金属壳3的前端的后端侧的方式形成于陶瓷绝缘体2的前端部。由此可以进一步减小施加于陶瓷绝缘体2的前端部上的冲击并且提高陶瓷绝缘体2的耐破损性。

为了验证上述实施方式的功能和效果，制备多个火花塞样品并且通过弯曲试验测试各样品，其中各样品的板状密封件的内周缘部与陶瓷绝缘体的位于中间区域的前端侧的部分的周向接触率被设定为0％、50％或100％。弯曲试验在这里通过下述过程进行。使用预定的自动绘图仪，从与轴线方向垂直的三个周向不同的方向将载荷施加到陶瓷绝缘体的前端部。测量陶瓷绝缘体中产生破损时的载荷(称为“破损载荷”)。各个样品的破损载荷测量值和平均值列于表1。在每个样品中，曲面部的曲率半径G被设定为0.5mm；第二曲面部的曲率半径H被设定为0.2mm；并且腿部的后端部的外径被设定为5.3mm。另外，通过控制弯边部的形成条件(例如施加于金属壳的后端部的载荷)来调节接触率。

表1

如表1所示，各样品中，当接触率为50％以上时，破损载荷平均值显著地增大以表示良好的耐破损性。这种现象的原因被推定为：(1)可能是由于曲面部的形成分散了台阶部和腿部之间的边界区域上的由外力施加的应力而不将应力集中到一个区域上；(2)通过板状密封件与陶瓷绝缘体的位于曲面部的中间区域的前端侧的部分的接触，因为陶瓷绝缘体的与板状密封件的内周缘部接触的部分最大地承受由于弯边而产生的应力，使得陶瓷绝缘体的最大地承受由于外力而产生的应力的部分的位置与陶瓷绝缘体的最大地承受由于弯边而产生的应力的部分的位置不同，所以可以更有效地分散应力；以及(3)通过将接触率设定为50％以上可以在大的周向范围上获得上述第(2)项的效果。

特别地，接触率为100％的样品具有较好的耐破损性。原因被推定为：因为陶瓷绝缘体的最大地承受由于外力而产生的应力的部分与陶瓷绝缘体的最大地承受由于弯边而产生的应力的部分的位置在整周上不同，所以可以甚至在沿不同方向施加外力的状态下确实地分散应力。

通过上述试验结果已经表明：优选地，板状密封件的内周缘部的周向上的50％以上与陶瓷绝缘体的位于曲面部的中间区域的前端侧的部分接触，以提高陶瓷绝缘体的耐破损性。还表明，为了进一步提高陶瓷绝缘体的耐破损性，特别优选地内周缘部的整周与陶瓷绝缘体的位于曲面部的中间区域的前端侧的部分接触。

制备多个火花塞样品并且通过与上述相同的弯曲试验测试各样品，其中曲面部的曲率半径G(mm)被设定成多个值。测试结果被示于图9。在每个样品中，接触率均被设定为100％。在沿一个给定方向施加载荷的情况下通过预定的绘图仪测量破损载荷。

如图9所示，曲面部的曲率半径G为0.8mm以上的各样品具有较好的耐破损性。该现象的原因被推定为：通过将曲率半径G设定为较大值可以更有效地分散由于外力而施加在曲面部上的应力。

接着，制备曲率半径G(mm)被设定为多个值的多个陶瓷绝缘体样品并且在通过弯边将陶瓷绝缘体固定到金属壳之后测试各样品的锥形部的变形量。曲率半径G和锥形部的变形量的关系示于图10。锥形部的变形量指的是弯边之后的锥形部相对于弯边之前的锥形部的沿着轴线方向的变形量并且通过观察金属壳的截面来确定。

如图10所示，通过将曲率半径G设定为1.4mm以下可以有效地限制锥形部在弯边期间的变形以防止陶瓷绝缘体的破损。

上述测试结果表明，优选地将曲面部的曲率半径G设定为0.8至1.4mm以进一步提高陶瓷绝缘体的耐破损性并且限制锥形部的变形。

制备多个火花塞样品并且通过弯曲试验测试各样品，其中通过将曲面部的曲率半径G设定为0.8mm、1.0mm或1.2mm并将第二曲面部的曲率半径H(mm)设定为多个值来改变G/H的值。测试结果示于图11。在图11中，用圆绘出曲率半径G为0.8mm的样品的测试结果；用三角绘出曲率半径G为1.0mm的样品的测试结果；用方块绘出曲率半径G为1.2mm的样品的测试结果。在各样品中，接触率被设定为100％；并且腿部的后端部的外径被设定为5.3mm。在测试中通过预定的自动绘图仪在沿一个给定的方向施加载荷的情况下测量破损载荷。

如图11所示，满足关系式1.0≤G/H≤3.0的各样品具有较好的耐破损性。该现象的原因被推定为：可以通过满足G/H≤3.0以减小由于弯边而施加在曲面部上的应力；并且可以通过满足1.0≤G/H(即H≤G)以积极地将由外力产生的应力施加在第二曲面部上由此减小由于外力而施加在曲面部上的应力。

上述测试结果表明，以满足关系式1.0≤G/H≤3.0的方式设定曲率半径G和H以进一步体提高陶瓷绝缘体的耐破损性是优选的。

制备多个火花塞样品并且通过与上述相同的弯曲试验和通过根据JIS B 8031的气密性试验测试各样品，其中通过变化陶瓷绝缘体的台阶部的角度α并将锥形部的角度β设定为30°来改变α-β(°)的值。

气密性测试在这里通过下面的过程进行。制备多种α-β(°)的火花塞样品，各α-β(°)10个样品。各样品被放置于预定的室中并且在150℃的氛围中保持30分钟。此后，对样品的前端部施加1.5MPa的气压。检查通过陶瓷绝缘体和金属壳之间的漏气是否发生。测量10个样品中的发生漏气的样品数(称为泄漏样品数)。当所有的10个样品中均未发生漏气时气密性被评价为良好并且用“○”标识。另一方面，当泄漏样品数为1至5时气密性被评价为相当差并且用“△”标识。

另外，通过弯边试验测试具有多种角度α的陶瓷绝缘体。弯边试验在这里通过下面的过程进行。制备具有多种角度α的陶瓷绝缘体，对于各角度α制备10个样品。通过弯边将各陶瓷绝缘体样品固定到锥形部的角度β被设定为30°的金属壳中。检查弯边之后陶瓷绝缘体中是否发生破损。测量10个样品中陶瓷绝缘体中发生破损的样品数(称为“破损样品数”)。当所有的10个样品中均未发生破损时给出“○”评价结果，而当破损样品数为1至5时给出“△”评价结果。

弯曲试验的测试结果示于图12。气密性试验的测试结果和弯边试验的测试结果示于表2。在每个样品中，接触率被设定为100％；曲面部的曲率半径G被设定为0.8mm；第二曲面部的曲率半径H被设定为0.4mm。

表2

角度α(°)	α-β(°)	气密性试验评价结果	弯边试验评价结果
				20	-10	○	△
25	-5	○	△
				30	0	○	○
35	5	○	○
				40	10	○	○
45	15	○	○
				50	20	△	○
55	25	△	○

如图12和表2所示，α-β被设定为负值(即α＜β)的样品中的破损载荷比其他样品中的破损载荷小。另外，在这些样品中的陶瓷绝缘体中容易由于弯边而发生破损。该现象的原因被推定为：在弯边期间，曲面部被中间主体部加压从而在曲面部上施加径向向内的大应力；并且板状密封件的内周缘部容易径向向内地变形。

另外，在α-β被设定为大于15°(即α＞β+15)的样品中气密性相当差。该现象的原因被推定为：因为仅台阶部的前端部与板状密封件接触，所以不能确保台阶部和板状密封件之间的接触面积充分。

相反，满足关系式α≥β的各样品具有较好的耐破损性；并且满足关系式α≤β+15的各样品具有良好的气密性。

由此上述测试结果表明，为了进一步提高陶瓷绝缘体的耐破损性，以满足关系式α≥β的方式设定角度α和β是优选的。

还表明，为了确保良好的气密性，以满足关系式α≤β+15的方式设定角度α和β是优选的。

接着，制备如下火花塞样品：其中陶瓷绝缘体的尺寸和中心电极的尺寸被调节以改变陶瓷绝缘体的在与轴线方向垂直的方向上在金属壳的前端截取的截面积A(mm²，称为“前端截面积”)、陶瓷绝缘体的在与轴线方向垂直的方向上在腿部的后端截取的截面积B(mm²，称为“后端截面积”)、沿轴线方向从中间主体部和台阶部的边界区域到陶瓷绝缘体的前端的长度L(mm，称为“腿长度”)以及中心电极的从中心电极的前端到距陶瓷绝缘体的前端向后端侧1mm的位置处的部分的体积(称为“电极前端体积”)。对A、B、L和D的各组合均制备10个样品，并且通过耐冲击试验测试各样品。耐冲击试验在这里通过下面的过程进行。将各样品固定到L状衬套。根据JIS B 8031的第7.4节通过冲击试验机在22mm振幅和每分钟400次的频率的工况下对样品的前端部施加冲击。3小时之后，检查腿部的前端部和后端部中是否产生裂纹。测量腿部中产生裂纹的样品数(称为“裂纹样品数”)。当所有的10个样品中均未产生裂纹时，将耐冲击性评价为良好并且用“○”标识。另一方面，当裂纹样品数为1至5时，将耐冲击性评价为相当差并且用“△”标识。测试结果示于表3。对腿部的前端部和后端部分别进行评价。在每个样品中，将接触率设定为100％；曲面部的曲率半径G被设定为1.0mm；并且将第二曲面部的曲率半径H设定为0.4mm。

表3

如表3所示，在D/A被设定为1.00以下的样品中可以有效地防止腿部的前端部中的裂纹。该现象的原因被推定为：尽管由于通过施加冲击中心电极的前端部与陶瓷绝缘体产生碰撞而在陶瓷绝缘体的前端部中产生裂纹，但是通过满足关系式D/A≤1.00，陶瓷绝缘体的前端部仍被提供有抵抗中心电极的前端部的体积(重量)的充分的强度。

在(B/A)/L被设定为0.20以上的样品中还可以防止在腿部的后端部中的裂纹。该现象的原因被推定为：尽管通过腿部的后端部上的冲击而产生的应力与腿长L和陶瓷绝缘体的前端部的重量成比例，但是通过满足关系式(B/A)/L≥0.20，腿部的后端部仍被提供有抵抗应力的充分的强度。

上述测试结果表明，为了防止腿部的前端部和后端部中的裂纹并且显著地提高陶瓷绝缘体的耐破损性而满足关系式D/A≤1.00(mm)和(B/A)/L≥0.20(mm^-1)是优选的。

制备当陶瓷绝缘体的在轴线方向上位于金属壳的前端的前端侧的部分被投影到与轴线平行的假想平面上时、投影部的面积(称为“投影面积”)随着改变陶瓷绝缘体的前端的突出长度F(mm)和陶瓷绝缘体的前端部的外径而变化的火花塞样品，各投影面积制备10个样品，并且通过爆震试验测试各样品。

爆震试验在这里通过下面的过程进行。将各样品安装到预定的发动机。以引起爆震的方式操作发动机。在爆震产生时，陶瓷绝缘体的前端部被施加了冲击。检查陶瓷绝缘体中是否产生裂纹。测量陶瓷绝缘体中产生裂纹的样品数(称为“裂纹样品数”)。当所有的10个样品中均未产生裂纹时，将耐冲击性评价为非常良好并且用“☆”标识。当裂纹样品数为1至3时，将耐冲击性评价为良好并且用“◎”标识。当裂纹样品数为4至5时，将耐冲击性评价为满意并且用“○”标识。当裂纹样品数为6至9时，将耐冲击性评价为相当差并且用“△”标识。爆震试验的测试结果示于表4。在样品1至16中陶瓷绝缘体的前端部的外径朝向前端侧减小，而在样品17至21中恒定外径的直部形成于陶瓷绝缘体的前端部。在样品17至21中，将轴线方向上的相对于金属壳的前端的前侧假定为负侧，沿轴线方向从金属壳的前端到直部的后端的距离X被设定为变化的值(即，距离X的负值意味着直部的后端在轴线方向上位于金属壳的前端的后端侧)。

表4

如表4所示，投影面积为14.0mm²以下的各样品具有充分的耐冲击性。该现象的原因被推定为：尽管陶瓷绝缘体的从金属壳的前端突出的部分由于爆震而承受冲击，仍可以通过将投影面积设定为较小值而减小施加于陶瓷绝缘体上的冲击，由此减小施加于腿部的后端部上的应力。

另外，直部形成于陶瓷绝缘体的前端部的各样品(即样品17至21)具有较好的耐冲击性。特别地，直部的后端在轴线方向上位于金属壳的前端的后端侧的样品的耐冲击性非常良好。

上述测试结果表明，为了进一步提高陶瓷绝缘体的耐破损性，以投影面积为14.0mm²以下的方式采用陶瓷绝缘体等是优选的。还表明，为了进一步提高陶瓷绝缘体的耐破损性，优选地将直部形成于陶瓷绝缘体的前端部上并且特别优选的是直部的后端位于金属壳的前端的后端侧。

本发明不限于上述实施方式并且可以如下地实施。不用说的是，除了下面表明的那些实施例，任何应用和改型实施例都是可以的。

(a)曲面部31的曲率半径G和第二曲面部32的曲率半径H在上述实施方式中为恒定的，但是不必是恒定的。可以阶段地或连续地改变曲率半径G、H。在该情况下，曲率半径G(曲率半径H)意味着在经过轴线CL1的截面中经过下述三点的假想圆的曲率半径：曲面部31(第二曲面部32)的前后端点和曲面部31(第二曲面部32)的前后端点的中点。

(b)尽管在上述实施方式中放电间隙28被限定在中心电极5和接地电极27之间，但是可选地可以将贵金属合金(例如铂合金或铱合金)制的贵金属电极头固定到中心电极5和接地电极27的至少一方，由此在电极中的一方上的贵金属电极头和电极中的另一方之间或在两个电极上的贵金属电极头之间限定放电间隙。

(c)在上述实施方式中接地电极27被接合到金属壳3的前端部26。可选地可以通过切去金属壳的一部分(或预先接合到金属壳的前端金属部的一部分)来形成接地电极(参见例如日本特开2006-236906)。

(d)尽管在上述实施方式中工具接合部19的截面为六边形，但是工具接合部19的形状不限于所述的截面为六边形的形状。工具接合部19可选地可以形成为Bi-HEX形状(变形12边形形状)(根据ISO22977：2005(E))等。

附图标记说明

1：火花塞

2：陶瓷绝缘体(绝缘体)

3：金属壳

5：中心电极

12：中间主体部

13：腿部

14：台阶部

21：锥形部

22：板状密封件

31：曲面部

32：第二曲面部

33：直部

CL1：轴线

CP：中间区域

IP：内周缘部

Claims

1.一种火花塞，其包括：

筒状的绝缘体，其沿所述火花塞的轴线方向延伸；

环形的板状密封件；以及

筒状的金属壳，其围绕所述绝缘体的外周配置，

所述绝缘体包括台阶部和腿部，所述台阶部形成于所述绝缘体的外周面并且具有沿所述轴线方向朝向前端侧减小的外径，所述腿部位于所述台阶部的前端侧并且沿所述轴线方向朝向前端侧延伸，

所述金属壳包括锥形部，所述锥形部形成于所述金属壳的内周面并且具有沿所述轴线方向朝向前端侧减小的内径，

在所述绝缘体的台阶部经由所述板状密封件被保持于所述金属壳的锥形部的状态下，通过对所述金属壳的后端部进行弯边而将所述绝缘体固定于所述金属壳，

所述绝缘体还包括曲面部，所述曲面部在所述台阶部和所述腿部之间的位置处在所述绝缘体的外周面形成为凹形，

所述板状密封件的内周缘部的周向上的50％以上与所述绝缘体的位于所述曲面部的前后端之间的中间区域的前端侧的部分接触。

2.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，所述板状密封件的内周缘部的整周与所述绝缘体的位于所述曲面部的前后端之间的中间区域的前端侧的部分接触。

3.根据权利要求1或2所述的火花塞，其特征在于，所述火花塞满足关系式0.8≤G≤1.4，其中G是所述曲面部在经过所述轴线的截面中的曲率半径，G的单位是mm。

4.根据权利要求3所述的火花塞，其特征在于，所述绝缘体包括：位于所述台阶部的后端侧并且沿所述轴线方向延伸的筒状的中间主体部；以及在所述台阶部和所述中间主体部之间的位置处在所述绝缘体的外周面形成为凸形的第二曲面部，其中，所述火花塞满足关系式1.0≤G/H≤3.0，其中在经过所述轴线的截面中，G是首先提及的曲面部的曲率半径，G的单位是mm；H是所述第二曲面部的曲率半径，H的单位是mm。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的火花塞，其特征在于，所述火花塞满足关系式α≥β，其中在经过所述轴线的截面中，α是由所述台阶部的外形线和与所述轴线垂直的直线形成的锐角，α的单位是度；β是由所述锥形部的外形线和与所述轴线垂直的直线形成的锐角，β的单位是度。

6.根据权利要求5所述的火花塞，其特征在于，所述火花塞满足关系式α≤β+15°。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的火花塞，其特征在于，所述绝缘体包括位于所述台阶部的后端侧并且沿所述轴线方向延伸的筒状的中间主体部；所述火花塞还包括插入在所述绝缘体中并且沿所述轴线方向延伸的中心电极，所述中心电极的前端在所述轴线方向上位于所述绝缘体的前端的前端侧；其中所述火花塞满足关系式D/A≤1.00mm和(B/A)/L≥0.20mm^-1，其中A是所述绝缘体的在与所述轴线方向垂直的方向上在所述金属壳的前端处截取的截面积，A的单位是mm²；B是所述绝缘体的在与所述轴线方向垂直的方向上在所述腿部的后端处截取的截面积，B的单位是mm²；L是从所述中间主体部和所述台阶部之间的边界区域到所述绝缘体的前端的在所述轴线方向上的长度，L的单位是mm；D是所述中心电极的从所述中心电极的前端延伸到距所述绝缘体的前端向后端侧1mm位置的部分的体积，D的单位是mm³。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的火花塞，其特征在于，当所述绝缘体的在所述轴线方向上位于所述金属壳的前端的前端侧的部分被投影到与所述轴线平行的假想平面上时，投影面积为14.0mm²以下。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的火花塞，其特征在于，所述绝缘体的前端部包括直管状的直部，所述直部具有恒定外径并且所述直部的前端在所述轴线方向上位于所述金属壳的前端的前端侧。

10.根据权利要求9所述的火花塞，其特征在于，所述直部的后端在所述轴线方向上位于所述金属壳的前端的后端侧。