JP2010102958A - スパークプラグ及びその製法 - Google Patents

Abstract

【課題】環状接地電極チップの肉厚を薄くしても環状接地電極チップの温度上昇を抑え寿命低下を抑制すると共に、接地電極本体と環状接地電極チップとの溶融接合の高い信頼性を確保する。
【解決手段】中心電極３と、中心電極３との間で火花を発生する接地電極５とを備え、
接地電極５の接地電極本体５ａの先端部５ｂに中心電極３と対向する方向に貴金属からなる環状接地電極チップ５ｄが電気的に固定されるスパークプラグ１であって、接地電極本体５ａの先端部５ｂに中心電極３側に突出した凸部５ｃを設け、当該凸部５ｃの外周に環状接地電極チップ５ｄを配置し、凸部５ｃと環状接地電極チップ５ｄはレーザ溶接により電気的接合されており、環状接地電極チップ５ｄの先端面５ｉは凸部５ｃの先端面５ｊより中心電極３側に位置させる。
【選択図】 図１

Description

本発明はスパークプラグ及びその製法に関わるもので、自動車用内燃機関のスパークプラグに好適である。

例えば自動車用内燃機関に使用されるスパークプラグにおいては、高速運転時など高温環境下で使用されている。このような環境下で使用寿命を延ばすために、特に接地電極の電極チップに白金−ロジウム（Ｐｔ−Ｒｈ）合金等の貴金属を使用している。

この貴金属からなる接地電極チップは下記特許文献１の図１に記載されているように、接地電極チップ５２（下記特許文献１の図１では突出部５２）の形状は円筒形環状を呈しており、その端面において接地電極５の接地母材５１に電気的に溶接接合されている構造である。

近年スパークプラグにおいては、着火性の向上や高価な貴金属の使用量を低減させるために、貴金属の環状接地電極チップの肉厚を薄くしたい要求がある。

しかしながら下記特許文献１に記載された構造のスパークプラグにおいては、肉厚を薄くすると内燃機関運転時に環状接地電極チップ５２の放電部（中心電極４側の端面）の温度が上昇して当該電極チップ５２の消耗が加速され寿命が短くなるという課題があった。また、環状接地電極チップ５２の肉厚が薄くなると、当該電極チップ５２と接地母材５１との溶接が難しくなり、特にレーザ溶接等で接合部を溶接すると溶接部に穴が開いたりして電極チップ５２と接地母材５１との溶接接合の信頼性が確保できないという課題があった。
特開２００６−２８６４６９号公報

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、接地電極本体の先端部に中心電極側に凸部を形成し、当該凸部の外周に環状接地電極チップを配置し、環状接地電極チップと凸部とを接合することにより、環状接地電極チップの肉厚が薄い形状であっても当該環状接地電極チップの温度上昇を抑えて寿命低下を抑制できると共に、接地電極本体と環状接地電極チップとの高い接合信頼性を確保できるスパークプラグ及びその製法を提供することにある。

請求項１に係る発明では、中心電極と、前記中心電極との間で火花を発生する接地電極とを備え、前記接地電極の接地電極本体の先端部に前記中心電極と対向する方向に貴金属からなる環状接地電極チップが接合されるスパークプラグであって、
前記接地電極本体の先端部に前記中心電極側に突出した凸部が設けられ、前記凸部の外周に前記環状接地電極チップが配置、接合され、前記環状接地電極チップの先端面は前記凸部の先端面より前記中心電極側に位置していることを特徴とする。

上記構成によれば、環状接地電極チップの肉厚を薄くした場合でも環状接地電極チップからの放熱経路を多くすることができ、当該環状接地電極チップの温度上昇を抑えて寿命低下を抑制できる。また、接地電極本体の凸部の外周面と環状接地電極チップの内周面が接合されるため両者の接合の信頼性を高めることできる。また、前記環状接地電極チップの先端面は前記凸部の先端面より前記中心電極側に位置させているので、接地電極チップを環状にしている特性を損なうことはない。

請求項２に係る発明では、前記環状接地電極チップと前記凸部は互いに溶融接合されていることを特徴とする。

上記構成によれば、環状接地電極チップの接地電極本体への接合を確実且つ強固にすることができ、放熱特性も高まる。

請求項３に係る発明では、前記凸部は２段形状であり、１段目の段部に前記環状接地電極チップが配置されていることを特徴とする。

上記構成によれば、環状接地電極チップの長さを短くでき、高価な貴金属の使用量を少なくできる。

請求項４に係る発明では、前記環状接地電極チップと前記２段形状の凸部との互いの溶融接合は、少なくとも前記環状接地電極チップの内周面と前記２段形状の凸部の２段目の外周面でなされていることを特徴とする。

上記構成によれば、肉厚の薄い環状接地電極チップであっても環状接地電極チップと凸部との周面での溶融接合であるため、両者の接合強度をより一層確実且つ強固にすることができる。

請求項５に係る発明では、前記凸部は前記接地電極本体と一体的に形成されていることを特徴とする。

上記構成によれば、凸部の接地電極本体への形成が容易に出ると共に、当該凸部の接地電極本体との接合信頼性を心配することなく放熱特性を高めることができる。

請求項６に係る発明では、中心電極と、前記中心電極との間で火花を発生する接地電極とを備え、前記接地電極の接地電極本体の先端部に前記中心電極と対向する方向に貴金属からなる環状接地電極チップが接合されるスパークプラグの製法であって、
前記接地電極本体の先端部に押し出し成形加工により前記中心電極側に突出すると共に環状接地電極チップの長さより短い長さの凸部を形成する工程と、前記凸部の外周に前記環状接地電極チップを配置し、前記環状接地電極チップと前記凸部とをレーザ溶接により溶融接合する工程を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、凸部の接地電極本体への形成が容易であり且つ接地電極本体との接合性を心配することなく放熱特性を高めることができ、また、レーザ溶接が環状接地電極チップの側方からでき接地電極本体の凸部と環状接地電極チップとの溶融接合を高い信頼性で強固に行うことできる。

以下本発明になるスパークプラグの実施形態を図に基づき説明する。第１実施形態を示す図１、２、３において、スパークプラグ１は筒状の絶縁碍子２と、この絶縁碍子２の内部に装着された中心電極３と、絶縁碍子２の外周に取り付けられた金属製取付け金具４と、この取付け金具４の先端に接合された接地電極５を備えている。

取付け金具４の外周には内燃機関（図示せず）への取付け用ネジ４ａが設けられ、中心電極本体３ａの先端にはイリジウム−ロジウム合金等の貴金属からなる中心電極チップ３ｂが接合されている。そして中心電極本体３ａと中心電極チップ３ｂで中心電極３を構成している。

接地電極５は接地電極本体５ａの根元部５ｌが取付け金具４の先端に接合され、接地電極本体５ａの先端部５ｂが中心電極３と対向する位置になるよう屈曲した形状をなし、先端部５ｂには中心電極チップ３ｂと対向し中心電極３側に突出した凸部５ｃを有している。この凸部５ｃは円形の横断面を有し、接地電極本体５ａを押し出し成形することにより一体的に形成されている。

図２に示すように、接地電極本体５ａの先端部５ｂに形成した凸部５ｃの外周には白金−ロジウム合金等の貴金属からなり円筒形の環状接地電極チップ５ｄが装着配置してある。凸部５ｃの外周面５ｅと接地電極チップ５ｄの内周面５ｆは接しており、接地電極チップ５ｄの端面５ｇは接地電極本体５ａに当接している。そして接地電極本体５ａ、凸部５ｃ、環状接地電極チップ５ｄで接地電極５を構成している。

凸部５ｃの高さは接地電極チップ５ｄの長さＬ１より短く、すなわち接地電極チップ５ｄの先端面５ｉは凸部５ｃの先端面５ｊより中心電極３側に位置している。これは接地電極チップ５ｄの先端面５ｉは放電面であるため、この先端面５ｉのみで放電を確実に行わせるために段差Ｌ２を設定している。本例では接地電極チップ５ｄの長さＬ１は０．５〜１．２ｍｍ、段差Ｌ２は０．２ｍｍ以上に設定している。

上記した凸部５ｃと接地電極チップ５ｄはレーザ溶接により、接地電極チップ５ｄの内周面５ｆと凸部５ｃの外周面５ｅ、及び接地電極チップ５ｄの端面５ｇと接地電極本体５ａがそれぞれ互いに溶融した状態で接合され図３に示すように溶融接合部Ｙを形成する。 レーザ溶接は接地電極チップ５ｄの全周に亘り溶融接合される。レーザ光線Ｘは接地電極チップ５ｄの外周から接地電極チップ５ｄの外周面５ｈに対しほぼ直交して（接地電極本体５ａ側に少し向かった方向）照射される。その結果、接地電極チップ５ｄは凸部５ｃと接地電極本体５ａとの２面で溶融接合される。

図４は上記凸部５ｃの形成方法を示す。図４（ａ）に示す真っ直ぐな板状の接地電極本体５ａの先端部５ｂに押出しプレス成形を施すことにより、図４（ｂ）に示すように凸部５ｃを接地電極本体５ａと一体的に形成する。この押し出し成形による一体成形法を採用すれば、凸部５ｃを容易に製造でき、また接地電極本体５ａとの接合信頼性を心配する必要がなくなる。

また、上記凸部５ｃは図５に示すように、別個に作製した接地電極本体５ａと同材料等の凸部５ｃを真っ直ぐな板状の接地電極本体５ａの先端部５ｂに電気抵抗溶接等で接合してもよく、簡単な装置でできる。

また、本例では図３で説明したように接地電極チップ５ｄは凸部５ｃと接地電極本体５ａとの２面で溶融接合しているので、図６において矢印で示すように放電、燃焼により高温度になる接地電極チップ５ｄの放熱経路を凸部５ｃと接地電極本体５ａとの全接合面での２系統にすることができ、接地電極チップ５ｄの肉厚が薄くても温度上昇を抑制できる。

以上第１実施形態によるスパークプラグ１においては、接地電極本体５ａの先端部５ｂに中心電極３側に突出した凸部５ｃを設け、この凸部５ｃの外周に環状接地電極チップ５ｄを配置し、凸部５ｃと環状接地電極チップ５ｄを溶融接合し、環状接地電極チップ５ｄの先端面５ｉを凸部５ｃの先端面５ｊより中心電極３側に位置させている。したがって環状接地電極チップ５ｄは内周面５ｆが凸部５ｃの外周面５ｅと、端部５ｇが接地電極本体５ａと溶融接合されている為、肉厚を薄くした場合でも環状接地電極チップ５ｄからの放熱経路が多くなり環状接地電極チップ５ｄの温度上昇を抑えて寿命低下を抑制でき、また、両者の接合の信頼性を高めることできる。尚、環状接地電極チップ５ｄの先端面５ｉは凸部５ｃの先端面５ｊより中心電極３側に位置させているので、接地電極チップ５ｄを環状にしている特性を損なうことはない。

また、凸部５ｃを接地電極本体５ａと一体的に形成しているから、凸部５ｃは容易に製造でき接地電極本体５ａとの接合信頼性を心配する必要がなくなる。

図７は上記第１実施形態におけるスパークプラグ１において、真っ直ぐな板状の接地電極本体５ａの先端部５ｂへの凸部５ｃの形成から環状接地電極チップ５ｄの溶融接合に至る製法を示す。図７（ａ）に示す板状の接地電極本体５ａの先端部５ｂに押し出し成形加工を施し、図７（ｂ）に示すように接地電極本体５ａの先端部５ｂに一体的に凸部５ｃを形成する。次に図７（ｃ）に示すように予め作製された環状接地電極チップ５ｄを凸部５ｃの外周に配置しセットする。その後、レーザ溶接により環状接地電極チップ５ｄの内周面５ｆと凸部５ｃの外周面５ｅ、及び環状接地電極チップ５ｄの端面５ｇと接地電極本体５ａを溶融接合し図７（ｄ）に示すように溶融接合部Ｙを形成する。その後接地電極本体５ａを折り曲げて取り付け金具４（図１参照）に接合する。

上記製法によれば凸部５ｃは接地電極本体５ａの先端部５ｂへの接合性を心配することなく容易に形成でき、また、レーザ溶接により環状接地電極チップ５ｄの端面５ｇを接地電極本体５ａに接合するだけでなく、環状接地電極チップ５ｄの内周面５ｆも凸部５ｃの外周面５ｅと溶融接合する為、高い接合信頼性を確保することができる。

図８、９は本発明によるスパークプラグ１の第２実施形態を示し、凸部５ｃの変形例である。図８に示すように凸部５ｃは２段形状を呈しており、１段目の段部５ｋに環状接地電極チップ５ｄを当接配置すると共に２段目の外周に配置した例である。接地電極本体５ａから環状接地電極チップ５ｄの先端面５ｉまでの長さＬ１及び段差Ｌ２の長さは図２で説明した第１実施形態の例と同寸法である。従って環状接地電極チップ５ｄ自体の長さＬ３は上記第１実施形態における環状接地電極チップ５ｄより短くすることができ、高価な貴金属の使用量を少なくすることができる。

そして、２段形状の凸部５ｃと環状接地電極チップ５ｄは、環状接地電極チップ５ｄの内周面５ｆと凸部５ｃの２段目の外周面５ｅ、及び環状接地電極チップ５ｄの端面５ｇと凸部５ｃの１段目段部５ｋでレーザ溶接により環状接地電極チップ５ｄの全周に亘り溶融接合され、図９に示すように溶融接合部Ｙを形成する。

第２実施形態では、環状接地電極チップ５ｄが凸部５ｃの１段目の段部５ｋに配置しているので、第１実施形態に比べて環状接地電極チップ５ｄは接地電極本体５ａから離れた位置にあり、レーザ溶接の照射方向を環状接地電極チップ５ｄに対して図９に示すように真横から照射できるので、特に環状接地電極チップ５ｄの内周面５ｆと凸部５ｃの２段目の外周面５ｅとの溶融接合を効率的にでき、両者を強固に接合できる。その他の作用については第１実施形態の場合と同様である。

図１０は上記２段形状の凸部５ｃの形成方法を示す。図１０（ａ）に示す真っ直ぐな板状の接地電極本体５ａの先端部５ｂから押出しプレス成形を施すことにより、図１０（ｂ）に示すように２段形状の凸部５ｃを接地電極本体５ａと一体的に形成する。この押し出し成形による一体成形法を採用すれば、２段形状の凸部５ｃは接地電極本体５ａとの接合信頼性を心配する必要がなく且つ容易に形成できる。

また、上記２段形状の凸部５ｃは図１１に示すように、別個に作製した接地電極本体５ａと同材料等の２段形状の凸部５ｃを真っ直ぐな接地電極本体５ａの先端部５ｂに電気抵抗溶接等で接合してもよく、簡単な装置でできる。

図１２は上記第２実施形態におけるスパークプラグ１において、真っ直ぐな板状の接地電極本体５ａの先端部５ｂへの２段形状の凸部５ｃの形成から環状接地電極チップ５ｄの溶融接合に至る製法を示す。図１２（ａ）に示す板状の接地電極本体５ａの先端部５ｂに押し出し成形加工を施し、図１２（ｂ）に示すように接地電極本体５ａの先端部５ｂに一体的に２段形状の凸部５ｃを形成する。次に図１２（ｃ）に示すように予め作製された環状接地電極チップ５ｄを２段形状の凸部５ｃの２段目の外周に配置しセットする。その後、レーザ溶接により環状接地電極チップ５ｄの内周面５ｆと２段形状の凸部５ｃの２段目の外周面５ｅ、及び環状接地電極チップ５ｄの端面５ｇと２段形状の凸部５ｃの１段目の段部５ｋをそれぞれ溶融接合し、図１２（ｄ）に示すように溶融接合部Ｙを形成する。その後接地電極本体５ａを折り曲げて取り付け金具４（図１参照）に接合する。

上記製法では２段形状の凸部５ｃの接地電極本体５ａの先端部５ｂへの形成が容易にでき、また、レーザ溶接が環状接地電極チップ５ｄの真横方向からできる為、接地電極本体５ａの２段形状の凸部５ｃと環状接地電極チップ５ｄとの溶融接合をより高い信頼性で強固に行うことできる。

なお、上記第１、２実施形態におけるレーザ溶接による溶融接合は、少なくとも環状接地電極チップ５ｄの内周面５ｆと凸部５ｃの外周面５ｅとに施されていることが必要である。

また、上記環状接地電極チップ５ｄは円筒形状の例であったが、その形状は種々のものが考えられる。図１３には上記環状接地電極チップ５ｄの断面形状の変形例を示す。図１３（ａ）に示す環状接地電極チップ５ｄは断面が四角形で、内周面５ｆも四角面を呈している。図１３（ｂ）に示す環状接地電極チップ５ｄは断面が三角形で、内周面５ｆも三角面を呈している。図１３（ｃ）に示す環状接地電極チップ５ｄは断面が四角形で、内周面５ｆは円面を呈している。図１３（ｄ）に示す環状接地電極チップ５ｄは断面が三角形で、内周面５ｆは円面を呈している。このように環状接地電極チップ５ｄの断面形状は種々の形状が考えられる。そして内周面５ｆの形状に応じ上記凸部５ｃの断面形状を対応させればよい。断面形状が円形で、内周面も円面の環状接地電極チップ５ｄが作製上、材料使用量の面でも最もよい。

また、縦断面形状においても種々の形状が考えられる。図１４には上記環状接地電極チップ５ｄの縦断面形状の変形例で凸部５ｃの外周に配置した例を示す。図１４（ａ）に示すものは環状接地電極チップ５ｄの先端面５ｉが凸部５ｃの先端面５ｊの周囲を覆っている形状であり、放電面を大きくとることができ環状接地電極チップ５ｄの寿命を長くできる。図１４（ｂ）に示すものは環状接地電極チップ５ｄの内周面５ｆをその先端面５ｉが幅広くなるようにテーパ形状にした例であり、やはり放電面を大きくとることができ環状接地電極チップ５ｄの寿命を長くできる。図１４（ｃ）に示すものは環状接地電極チップ５ｄの外周面５ｈをその端面５ｇが幅広くなるようにテーパ形状にした例であり、凸部５ｃの段部５ｋとの接合面を大きくとることができ、接合強度や熱伝達面積を大きくすることができる。

本発明になるスパークプラグ１の第１実施形態の要部を示す一部断面正面図。 （ａ）、（ｂ）は図１における接地電極５の正面断面図、下面図。 図２の接地電極５に溶接を施した状態を示す断面図。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ第１実施形態のスパークプラグ１の接地電極５に凸部５ｃを形成する工程図。 第１実施形態のスパークプラグ１の接地電極５に凸部５ｃを形成する他の工程図。 本発明になるスパークプラグ１の第１実施形態の作用説明に供するもので、接地電極５の断面図。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ本発明になる第１実施形態のスパークプラグ１の製法に供する工程図。 本発明になるスパークプラグ１の第２実施形態の要部を示す接地電極５の正面断面図。 図８の接地電極５に溶接を施した状態を示す断面図。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ第２実施形態のスパークプラグ１の接地電極５に凸部５ｃを形成する工程図。 第２実施形態のスパークプラグ１の接地電極５に凸部５ｃを形成する他の工程図。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ本発明になる第２実施形態のスパークプラグ１の製法に供する工程図。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ本発明になるスパークプラグ１における環状接地電極チップ５ｄの他の例を示す断面図。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ本発明になるスパークプラグ１における環状接地電極チップ５ｄの他の例を示すと共に接地電極５の凸部５ｃの外周に配置した状態を示す断面図。

符号の説明

１ スパークプラグ
２ 絶縁碍子
３ 中心電極
３ａ 中心電極本体
３ｂ 中心電極チップ
４ 取り付け金具
５ 接地電極
５ａ 接地電極本体
５ｂ 接地電極本体５ａの先端部
５ｃ 凸部
５ｄ 環状接地電極チップ
５ｅ 凸部５ｃの外周面
５ｆ 環状接地電極チップ５ｄの内周面
５ｇ 環状接地電極チップ５ｄの端面
５ｈ 環状接地電極チップ５ｄの外周面
５ｉ 環状接地電極チップ５ｄの先端面
５ｊ 凸部５ｃの先端面
５ｋ 凸部５ｃの段部
５ｌ 接地電極本体５ａの根元部
Ｌ１ 環状接地電極チップ５ｄの長さ
Ｌ２ 環状接地電極チップ５ｄと凸部５ｃとの段差
Ｘ レーザ溶接方向
Ｙ 溶融接合部

Claims (6)

1. 中心電極と、
   前記中心電極との間で火花を発生する接地電極とを備え、
   前記接地電極の接地電極本体の先端部に前記中心電極と対向する方向に貴金属からなる環状接地電極チップが接合されるスパークプラグであって、
   前記接地電極本体の先端部に前記中心電極側に突出した凸部が設けられ、
   前記凸部の外周に前記環状接地電極チップが配置、接合され、
   前記環状接地電極チップの先端面は前記凸部の先端面より前記中心電極側に位置していることを特徴とするスパークプラグ。
2. 前記環状接地電極チップと前記凸部の接合は互いに溶融接合されていることを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ。
3. 前記凸部は２段形状であり、１段目の段部に前記環状接地電極チップが配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載のスパークプラグ。
4. 前記環状接地電極チップと前記２段形状の凸部との互いの溶融接合は、少なくとも前記環状接地電極チップの内周面と前記２段形状の凸部の２段目の外周面でなされていることを特徴とする請求項３記載のスパークプラグ。
5. 前記凸部は前記接地電極本体と一体的に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のスパークプラグ。
6. 中心電極と、
   前記中心電極との間で火花を発生する接地電極とを備え、
   前記接地電極の接地電極本体の先端部に前記中心電極と対向する方向に貴金属からなる環状接地電極チップが接合されるスパークプラグの製法であって、
   前記接地電極本体の先端部に押し出し成形加工により前記中心電極側に突出すると共に環状接地電極チップの長さより短い長さの凸部を形成する工程と、
   前記凸部の外周に前記環状接地電極チップを配置し、前記環状接地電極チップと前記凸部とをレーザ溶接により溶融接合する工程を備えることを特徴とするスパークプラグの製法。
   
   

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