JP2005285486A

JP2005285486A - スパークプラグ

Info

Publication number: JP2005285486A
Application number: JP2004096366A
Authority: JP
Inventors: Hirotetsu Nasu; 弘哲那須; Makoto Sugita; 真杉田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2005-10-13

Abstract

【課題】接続端子の露出部に形成するニッケル被膜層の密着性を向上した内燃機関用のスパークプラグを提供する。
【解決手段】内燃機関用のスパークプラグの中心電極に電圧を印加するための接続端子４は、絶縁碍子の中心貫通孔内にて中心電極と導通されている。絶縁碍子から露出された接続端子４の露出部１５の外表面１７上にはニッケルめっき被膜層１９が形成され、傷つきの防止、耐食性の向上が図られている。さらにめっきの密着性を向上させるため、両者間にストライクめっきによるストライク層１８が形成されている。スパークプラグ製造時のガラスシール工程において、接続端子４は高い温度下にて絶縁碍子に圧入されるが、その際に接続端子４に熱的、機械的な変形が加えられても、ストライク層１８によってニッケルめっき被膜層１９の浮き（膨れ）や剥離が防止される。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関用のスパークプラグに関するものである。

従来、内燃機関には点火のためのスパークプラグが用いられている。このスパークプラグは、中心電極と、中心電極を軸孔の先端側で保持する絶縁碍子と、絶縁碍子を保持する主体金具と、中心電極と火花放電間隙を形成する接地電極を備えている。そして、中心電極と接地電極との間で火花放電が行われ、両電極間に曝された混合気に点火する。また、絶縁碍子の後端側には接続端子が保持され、軸孔内にて中心電極と接続端子とが導電性シール材によって封止されて固着されることで、両者が電気的に接続されている。

ところで、このような接続端子は絶縁碍子の後端から露出している部位（以下、「露出部」ともいう。）を有しており、通常、スパークプラグが内燃機関に組み込まれた場合に接続端子の露出部は内燃機関の外方に露出される。このため、接続端子の表面には、その損傷や腐食を防止するための、例えば、ニッケル被膜層（Ｎｉめっき層）が形成されている（例えば、特許文献１、００２６段落参照。）。
特開２００３−２２８８６号公報

しかしながら、接続端子の露出部にニッケル被膜層を形成した際に、ニッケル被膜層の露出部に対する密着性が低いと、露出部からニッケル被膜層が剥がれる虞があった。その原因の一つとして、絶縁碍子に接続端子を保持させる際に行われるガラスシール工程が挙げられる。これは、絶縁碍子の軸孔の後端側から中心電極、導電性シール材、接続端子の順で挿入し、全体を７００℃〜９５０℃に加熱しつつ接続端子を先端側に向かって押圧し、接続端子を絶縁碍子に保持させる工程をいう。この工程において、接続端子の露出部が加熱されたり、露出部に治具が当接したりするなど、接続端子の露出部に対する熱的、機械的衝撃が加わるため、ニッケル被膜層が剥がれると考えられている。そして、剥離が生じた場合、剥離したニッケル被膜層が絶縁碍子の表面に付着し、外観を損ねたり、絶縁性が不十分となる可能性があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、接続端子の露出部に形成するニッケル被膜層の密着性を向上した内燃機関用のスパークプラグを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明のスパークプラグは、軸線方向に延びる軸孔を有する筒状の絶縁碍子と、前記絶縁碍子の前記軸孔の先端側で保持される中心電極と、前記中心電極と電気的に接続され、前記絶縁碍子の前記軸孔の後端側で保持される接続端子とを備えたスパークプラグであって、前記接続端子は、前記絶縁碍子の後端より露出した露出部を有し、前記露出部の表面上には、ニッケルまたは銅を主成分とし、厚みが０．２μｍ以上０．７μｍ以下であるストライク層が形成され、かつ、前記ストライク層上に、ニッケルを主成分とするニッケル被膜層が形成されている。

また、請求項２に係る発明のスパークプラグは、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記露出部は、前記絶縁碍子の軸線方向に沿った露出側面を有し、前記露出側面に形成される前記ストライク層および前記ニッケル被膜層の厚みは、４μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明のスパークプラグは、請求項１または２に記載の発明の構成に加え、前記ストライク層はニッケルを主成分とし、前記ニッケル被膜層に含有されるニッケルの含有量は、前記ストライク層に含有されるニッケルの含有量より少ないことを特徴とする。

請求項１に係る発明のスパークプラグでは、接続端子の露出部の表面上にニッケルまたは銅を主成分とするストライク層を形成し、そのストライク層上にニッケルを主成分とするニッケル被膜層を形成するので、接続端子の露出部の表面とニッケル被膜層との間の密着性を向上させることができる。よって、接続端子の露出部に熱的、機械的衝撃が加わったとしても、ニッケル被膜層の剥離を防止することができる。この場合、ストライク層の厚みが０．２μｍ以上０．７μｍ以下となることで、接続端子の露出部の表面とニッケル被膜層との密着性を向上できる。ストライク層の厚みが０．２μｍ未満では、ストライク層を設ける効果を得ることができない。一方、ストライク層の厚みが０．７μｍを越えると、ストライク層自身が露出部表面から剥離しやすくなり、密着性が低下する。

なお、本発明において「主成分」とは、その成分が、含有される全成分のうち７０重量％以上を占める成分であることを示す。また、本発明においては、接続端子の露出部のみにストライク層およびニッケル被膜層を設けてもよいし、接続端子全体にストライク層およびニッケル被膜層を設けてもよい。

また、請求項２に係る発明のスパークプラグでは、請求項１に係る発明の効果に加え、接続端子の露出部に形成するストライク層およびニッケル被膜層の厚みを４μｍ以上３０μｍ以下とすることで、接続端子の耐食性を維持することができる。ストライク層およびニッケル被膜層の両者の厚みが４μｍ未満であると、接続端子の耐食性が低下することがある。一方、ストライク層およびニッケル被膜層の両者の厚みが３０μｍを越えると、ストライク層およびニッケル被膜層の両者が接続端子から剥離することがある。また、ニッケルの使用量を減らして生産コストを削減することができる。

なお、ストライク層およびニッケル被膜層の厚みは、接続端子の露出部のうち、絶縁碍子の軸線方向に沿った露出側面の厚みとする。これは、通常、スパークプラグの軸線方向が、略重力方向となるため、露出側面にめっきが上記範囲で形成されていることで、接続端子の露出面全体に形成されていると考えることができるためである。

また、請求項３に係る発明のスパークプラグでは、請求項１または２に係る発明の効果に加え、ニッケル被膜層に含有されるニッケルの含有量が、ストライク層に含有するニッケルの含有量よりも少ないことで、ストライク層の延性がニッケル被膜層よりも高くなり、有効に接続端子とニッケル被膜層の密着性を向上することができる。

以下、本発明を具体化したスパークプラグの製造方法およびスパークプラグの一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、図１，図２を参照して、本実施の形態におけるスパークプラグの一例としてのスパークプラグ１００の構造について説明する。図１は、スパークプラグ１００の部分断面図である。図２は、接続端子４の露出部１５の断面について拡大した、スパークプラグ１００の部分拡大断面図である。

図１に示すように、スパークプラグ１００は、概略、絶縁体を構成する絶縁碍子１と、この絶縁碍子１を保持する主体金具５と、絶縁碍子１内の先端部側に軸線方向に保持された中心電極２と、主体金具５の先端部５７に一端部６２を溶接され、他端部６１が中心電極２の先端面２２に対向する接地電極６０と、絶縁碍子１の後端部に設けられた接続端子４とから構成されている。

まず、このスパークプラグ１００の絶縁体を構成する絶縁碍子１について説明する。絶縁碍子１は、周知のようにアルミナ等を焼成して形成されており、その後端部（図１における上部）には、沿面距離を稼ぐためのコルゲーション１１が形成されている。また、絶縁碍子１の先端部（図１における下部）には、内燃機関の燃焼室に曝される脚長部１３が設けられている。さらに、絶縁碍子１の軸中心には中心貫通孔１２が形成され、この中心貫通孔１２には中心電極２が保持されている。なお、中心貫通孔１２が、本発明における「軸孔」に相当する。

中心電極２は、インコネル（商標名）６００または６０１等のニッケル系合金等からなる電極母材２１を少なくとも表層部に有している。そして、中心部に、放熱促進のための銅、あるいは銅合金などで構成された金属芯２３が埋設されている。この中心電極２の先端面２２は絶縁碍子１の先端面から突出している。また、中心電極２は、中心貫通孔１２の内部に設けられたシール体１４および抵抗体３を経由して、後述する後端側の接続端子４に電気的に接続されている。

次に、主体金具５について説明する。図１に示すように、主体金具５は、絶縁碍子１を保持し、図示外の内燃機関にスパークプラグ１００を固定するためのものである。絶縁碍子１は主体金具５に囲まれて支持されている。主体金具５は低炭素鋼材で形成され、図示外のスパークプラグレンチが嵌合する工具係合部５１と、図示外の内燃機関上部に設けられたエンジンヘッドに螺合するねじ部５２とを備えている。主体金具５は、かしめ部５３をかしめることにより、板パッキン８を介して段部５６に絶縁碍子１が支持されて、主体金具５と絶縁碍子１とが一体にされる。かしめによる密閉を完全なものとするため、主体金具５と絶縁碍子１との間に環状のリング部材６，７が介在され、リング部材６，７の間にはタルク（滑石）９の粉末が充填されている。また、主体金具５の中央部には鍔部５４が形成され、ねじ部５２の後端部側（図１における上部）近傍、すなわち鍔部５４の座面５５にはガスケット１０が嵌挿されている。

次に、接地電極６０について説明する。接地電極６０は、耐腐食性の高い金属から構成され、一例として、インコネル（商標名）６００または６０１等のニッケル合金が用いられる。この接地電極６０は自身の長手方向の横断面が略長方形を有しており、一端部６２が主体金具５の先端部５７に溶接により接合されている。また、接地電極６０の他端部６１は、中心電極２の先端面２２に対向するように屈曲されている。この中心電極２に対向する側の面である接地電極６０の内面６３は、中心電極２の軸線方向に略直交している。

次に、接続端子４について説明する。接続端子４は、低炭素鋼等により構成され、プラグキャップ（図示外）を介して高圧ケーブル（図示外）と接続し、高電圧が中心電極に印加されるようになっている。この接続端子４は、スパークプラグ１００が内燃機関に組み付けられた際に、内燃機関の外部に露出される露出部１５を有する。そして、接続端子４の露出部１５の外表面１７上には、ストライク層１８が形成され、さらに、ストライク層１８上に、ニッケルめっき被膜層１９が形成されている。なお、本実施の形態のニッケルめっき被膜層１９が、本発明における「ニッケル被膜層」に相当する。

このストライク層１８は、ニッケルが９９重量％含有された金属層であり、露出部１５の外表面１７上に０．５μｍの厚さ（図２のＡの部分）で形成されている。一方、ニッケルめっき被膜層１９は、ニッケルが９８重量％含有され、さらに、硫黄等が含有された金属層である。そして、ストライク層１８とニッケルめっき被膜層１９との両者の膜厚が１３．５μｍの厚さ（図２のＡの部分）で形成されている。このように、接続端子４の外表面１７上にストライク層１８を形成し、さらに、ストライク層１８上にニッケルめっき被膜層１９を形成することで、接続端子４の露出部１５の外表面１７とニッケルめっき被膜層１９との間の密着性を向上することができ、ニッケルめっき被膜層１９の剥離を防止することができる。特に、ストライク層１８の膜厚が０．２μｍ以上０．７μｍ以下となるので、ストライク層１８が露出部１５の外表面１７とニッケルめっき被膜層１９との密着性を向上できる。

このようなスパークプラグ１００は、次のようにして製造する。ただし、スパークプラグ１００の接続端子４の製造方法を中心に説明し、公知部分については説明を省略または簡略化する。

まず、主原料にアルミナを使用し、高温で所定の形状に焼成することによって絶縁碍子１を形成する。また、鋼材を使用し、所定の形状に塑性加工することによって、主体金具５を形成する。この際、主体金具５の先端部の外周面にねじ部５２を形成している。次いで、Ｎｉ耐熱合金からなる棒状の中心電極２、接地電極６０を作製する。なお、中心電極２の形成時には、金属芯２３を挿入して形成している。そして、接地電極６０を主体金具５の先端部５７に電気抵抗溶接する。

一方、接続端子４は、鋼材を使用し、周知の手法により成形する。その後、接続端子４にバレル装置を用いてストライクめっき処理を行い、接続端子４の表面にストライク層１８を形成する。ストライクめっき処理とは、接続端子４をめっき浴（いわゆるウッド浴）に浸け、電流密度を高くした状態で、短時間（約１〜１０分）で処理を行う電気めっきである。このウッド浴は、例えば、塩化ニッケルが１５０ｇ〜３００ｇ／リットルおよび塩酸が１００ｇ〜１８０ｇ／リットルの割合で含有されたものを使用する。

次に、ストライク層１８が形成された接続端子４にバレル装置によるバレルめっき処理を行い、ストライク層１８の表面にニッケルめっき被膜層１９を形成する。なお、バレルめっき処理に用いられるめっき浴（いわゆるワット浴）は、例えば、硫酸ニッケル（６水和物）が２００ｇ〜３８０ｇ／リットル、塩化ニッケル（６水和物）が２０ｇ〜６０ｇ／リットル、ほう酸が２０ｇ〜６０ｇ／リットルの割合で含有されたものを使用する。

そして、絶縁碍子１の中心貫通孔１２に、中心電極２を、先端側が絶縁碍子１から突出するように挿入し、次いで、後端側にシール体１４、抵抗体３、シール体１４の粉末を順に充填する。そして、絶縁碍子１の後端側に、絶縁碍子１の後端からストライク層１８およびニッケルめっき被膜層１９が表面に形成された接続端子４を挿入する。そして、ガラスシール工程にて、所定温度にて加熱（例えば、９００℃）しつつ接続端子４を先端側に向かって押圧し、絶縁碍子１に中心電極２および接続端子４が固設される。なお、この工程では、接続端子４の露出部１５が加熱されたり、露出部１５に治具が当接するなど、接続端子４の露出部１５に対する熱的、機械的衝撃が加わるが、ストライク層１８を所定の膜厚で形成することで、接続端子４の露出部１５からニッケルめっき被膜層１９が剥離することを抑制する。

そして、中心電極２、接続端子４等が固設された絶縁碍子１を、接地電極６０が固設された主体金具５に公知の手法により、組み付ける。そして、接地電極６０と中心電極２が火花放電間隙を介して対向するように、接地電極６０を中心電極２側に折り曲げ、図１に示すような、内燃機関用スパークプラグ１００が完成する。

［実施例１］
次に、接続端子４の露出部１５の外表面１７上に形成されるストライク層１８とニッケルめっき被膜層１９との密着性の評価を、以下に示す耐熱評価試験にて行った。図３は、めっきによる金属層が形成された接続端子４に対する耐熱評価試験の結果を示す表である。

耐熱評価試験は、以下の方法によって行った。第１〜第７のテストサンプルとして７本のテストサンプルを用意し、各テストサンプルごとに厚みの異なるストライク層１８を形成した。すなわち、材質がＳＷＣＨ６ＣＣの接続端子４を所定形状に作製し、塩化ニッケル：２００ｇ／リットル、塩酸：１５０ｇ／リットル、溶媒：脱イオン水としためっき浴に浸け、浴温：３５℃、浴ｐＨ：０．５、陰極電流密度：０．７Ａ・ｄｍ^２の条件でストライクめっき処理を行った。そして、めっき時間を変えることで、第１〜第７のテストサンプルのそれぞれのストライク層１８の厚み（図２のＡの部分）が、順に、０，０．１，０．２，０．５，０．７，０．８，１．０（単位はμｍ）となるようにした。そして、ストライク層１８が形成された接続端子４を、硫酸ニッケル（６水和物）：２８０ｇ／リットル、塩化ニッケル（６水和物）：４０ｇ／リットル、ほう酸：３０ｇ／リットル、溶媒：脱イオン水のめっき浴に浸け、浴温：５３℃、浴ｐＨ：４、陰極電流密度：０．５Ａ／ｄｍ^２の条件でバレルめっき処理を行った。そして、そのストライク層１８上に形成したニッケルめっき被膜層１９は、図２に示す、接続端子４の露出部１５の外表面１７のうち、Ａ部（接続端子４の挿入部１６とは反対側の端部近傍の膨らんだ部分で露出部１５の側面）における厚みが１３μｍとなるようにした。なお、ストライク層１８およびニッケルめっき被膜層１９の厚みは、蛍光Ｘ線膜厚計により測定する。

このようにめっきを施して金属層を形成した接続端子４を水洗し、乾燥後、耐熱試験装置（図示外）にセットした。耐熱試験装置は、管状の耐熱レンガ製の炉内にパネルヒータを配設したものであり、周知のＰＩＤ−ＳＣＲ制御方式により炉内の温度制御を行う装置である。固定治具により保持した接続端子４を熱電対と共に炉内中央に配置させ、常温から６分以内に９００℃に達し、以後、９００℃±５℃で２分以上維持さる昇温条件にて、接続端子４に対して合計８分間の加熱を行った。そして、接続端子４の自然冷却を行った後に、図２に示すＣ部（接続端子４の挿入部１６が絶縁碍子１の中心貫通孔１２に挿入されたときにストッパとして機能する鍔部２０）の外表面１７において、ニッケルめっき被膜層１９の状態を調べた結果を図３に示した。そして、めっき浮き、めっき剥がれが鍔厚の１／３未満の範囲で発生した場合をＯＫとし、１／３以上の範囲で発生した場合をＮＧとした。なお、外表面１７のＣ部においてニッケルめっき被膜層１９の状態を調べるのは、Ｃ部は、Ａ部やＢ部と比べて顕著にめっきの密着性への影響が現れやすいからである。

図３に示すように、第１，第２，第７のテストサンプル（ストライク層１８の厚みがそれぞれ０，０．１，１．０（μｍ））の場合、ニッケルめっき被膜層１９の浮き（膨れ）や剥離が、Ｃ部（鍔部２０）の厚み（接続端子４の軸線方向における厚み）を基準として、その２／３以上の範囲において発生した。また、第６のテストサンプル（ストライク層１８の厚みが０．８μｍ）の場合、ニッケルめっき被膜層１９の浮き（膨れ）や剥離が、Ｃ部の厚みの１／３以上２／３未満の範囲において発生した。さらに、第３，第５のテストサンプル（ストライク層１８の厚みがそれぞれ０．２，０．７（μｍ））の場合、ニッケルめっき被膜層１９の浮き（膨れ）や剥離が、Ｃ部の厚みの１／３未満の範囲において発生した。そして、第４のテストサンプル（ストライク層１８の厚みが０．５μｍ）の場合、ニッケルめっき被膜層１９の浮き（膨れ）や剥離が発生しなかった。

この耐熱評価試験の結果より、ストライク層１８の厚みを０．２μｍ以上０．７μｍ以下とすれば、ニッケルめっき被膜層１９と接続端子４との密着性を向上することができる。なお、ストライク層１８の厚みが０．５μｍであることが好ましい。

以上説明したように、本実施の形態のスパークプラグ１００では、接続端子４の露出部１５の外表面１７上にニッケルを主成分とするストライクめっきを施しストライク層１８を形成している。そして、ストライク層１８上に、ニッケルを主成分とするめっきを施し、ニッケルめっき被膜層１９を形成している。ストライク層１８が外表面１７とニッケルめっき被膜層１９との両者間の密着性を向上させることができる。これにより、スパークプラグ１００の製造時のグラスシール工程において高い温度下での接続端子４の圧入によって、接続端子４に熱的、機械的な衝撃が加えられても、ストライク層１８によってニッケルめっき被膜層１９の浮き（膨れ）や剥離は防止される。

なお、本発明は各種の変形が可能なことはいうまでもない。例えば、本実施の形態では、ストライク層をニッケルを主成分としたストライク層１８としたが、銅を主成分としたストライク層であってもよい。また、ニッケルめっき被膜層１９およびストライク層１８は、接続端子４に形成したが、露出部１５にのみ形成してもよい。

また、本実施の形態では、一部品で構成された、いわゆる一体型の接続端子４の露出部１５の外表面１７上に、ストライク層１８およびニッケルめっき被膜層１９を形成したが、図４に示すように、複数の部品で構成された、いわゆる別体型の接続端子４に対して同様の処理を行ってもよい。図４に示す接続端子４は、露出部１５の鍔部２０よりも後端部側のキャップ３０が取り外し可能に構成されている。キャップ３０は、鍔部２０から軸線方向に沿って突設された軸３５に、ねじによって係合される。そして、その軸３５にキャップ３０が係合された状態で、一体型の接続端子４と同様にプラグキャップ（図示外）が係合されることで、中心電極２に高電圧を印加することができる。

スパークプラグ１００にこのような別体型の接続端子４を使用する場合、接続端子４の鍔部２０、軸３５およびキャップ３０からなる露出部１５の外表面１７に、本実施の形態と同様のストライク層１８を形成した上でニッケルめっき被膜層１９を形成すればよい。このようにすれば、スパークプラグ１００の製造時のグラスシール工程において別体型の接続端子４の高い温度下での圧入によって、接続端子４に熱的、機械的な衝撃が加えられても、ニッケルめっき被膜層１９の浮き（膨れ）や剥離を防止することができる。

本発明は内燃機関に用いられるスパークプラグに適用することができる。

スパークプラグ１００の部分断面図である。接続端子４の露出部１５の断面について拡大した、スパークプラグ１００の部分拡大断面図である。めっきによる金属層が形成された接続端子４に対する耐熱評価試験の結果を示す表である。別体型の接続端子４を使用したスパークプラグ１００の変形例を示す図である。

符号の説明

１絶縁碍子
２中心電極
４接続端子
１２中心貫通孔
１５露出部
１８ストライク層
１９ニッケルめっき被膜層
１００スパークプラグ

Claims

軸線方向に延びる軸孔を有する筒状の絶縁碍子と、前記絶縁碍子の前記軸孔の先端側で保持される中心電極と、前記中心電極と電気的に接続され、前記絶縁碍子の前記軸孔の後端側で保持される接続端子とを備えたスパークプラグであって、
前記接続端子は、前記絶縁碍子の後端より露出した露出部を有し、前記露出部の表面上には、ニッケルまたは銅を主成分とし、厚みが０．２μｍ以上０．７μｍ以下であるストライク層が形成され、かつ、前記ストライク層上に、ニッケルを主成分とするニッケル被膜層が形成されていることを特徴とするスパークプラグ。
前記露出部は、前記絶縁碍子の軸線方向に沿った露出側面を有し、前記露出側面に形成される前記ストライク層および前記ニッケル被膜層の厚みは、４μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。
前記ストライク層はニッケルを主成分とし、前記ニッケル被膜層に含有されるニッケルの含有量は、前記ストライク層に含有されるニッケルの含有量より少ないことを特徴とする請求項１または２に記載のスパークプラグ。