JP2013012462A - スパークプラグ - Google Patents

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Abstract

【課題】主体金具の先端面の面積を変えずに、接地電極の断面積を増やして、接地電極の耐折損性を向上させることができるスパークプラグを提供すること。
【解決手段】接地電極9の一端が筒状の主体金具7の先端面7aに溶接されるスパークプラグにおいて、前記先端面において径方向の厚みが最小となる部位の肉厚をA、前記先端面の最大内径をd、前記先端面の最小外径をD、前記接地電極が溶接された部分の前記先端面の肉厚をK、としたとき、次の式(1)及び(2)を満たす。
K≧1.1A・・・(1)
K≧(D−d)/2・・・(2)
【選択図】図4

Description

本発明は、例えば自動車用エンジンなどの内燃機関において燃料ガスへの点火に使用されるスパークプラグに関する。
上記のスパークプラグは、通常、軸状の中心電極と、その中心電極の外周を覆う筒状の絶縁体と、前記絶縁体の外周に嵌着された筒状の主体金具と、一端が前記主体金具の先端面に溶接されると共に他端が前記中心電極の先端と対向するように配置されて前記中心電極との間に火花放電ギャップを形成する接地電極と、を備える。
このようなスパークプラグにおいて、接地電極(当業者の間では外側電極とも称される)は、近年、内燃機関が高出力化するに伴い、折損等の問題も生じやすくなっている。その原因として、機関もしくは燃焼振動による共振と高加速度(G)とが考えられる。また、接地電極は、先端側が中心電極側を向くように曲げ加工されていることから、主体金具への取付基端側に曲げモーメントが作用しやすく、また、燃焼に伴う衝撃波等を直接受ける位置に取り付けられていることも深く関係している。
上記のスパークプラグにおいて、接地電極の耐折損性を向上させるには、接地電極の断面積を増大させることが有効である。しかし、接地電極の幅寸法を増加させることで断面積の増大を図ると、幅寸法の増加に伴い消炎効果が増加し、着火性が低下してしまう。
そこで、接地電極の板厚を増加させることで、断面積の増大が図られる。しかし、接地電極の板厚を、主体金具の先端面の肉厚以上にすると、接地電極の板厚方向の一部が、主体金具の先端面から径方向にはみ出してしまい、溶接強度の低下を招くおそれがある。
そこで、下記特許文献1には、接地電極の板厚を主体金具の先端面の肉厚に一致させ、且つ、接地電極の断面形状を主体金具の先端面の湾曲形状に一致した湾曲構造にすることで、径方向へのはみ出しによる溶接強度の低下を招かずに、接地電極の断面積を増加させる技術が提案されている。
特開2003−7423号公報
ところが、特許文献1のスパークプラグにおける主体金具の先端面は、内外周縁が同心の真円形であり、全周に渡って肉厚が均一である。そして、接地電極の先端面の外径をD、内径をdとすると、先端面の肉厚Kmは、Km=(D−d)/2である。
従って、特許文献1の技術では、接地電極の板厚tmは、最大でも、(D−d)/2に制限されてしまい、それほど大きく断面積を増加させることができない。
そこで、主体金具の先端面の外径Dを従来より大きめに設定したり、あるいは内径dを従来より小さめに設定することで、主体金具の先端面の肉厚を増大させて、接地電極の板厚を増加させることも考えられるが、このような対応では、主体金具の先端面の面積が従来と変わることで、主体金具の熱容量が大きく変わってしまい、スパークプラグの耐熱性等への影響が出るため、実用は難しい。
また、接地電極の断面形状を、主体金具の先端面の湾曲に沿う湾曲形状にした場合には、単純な長方形断面の接地電極と比較して、接地電極が曲げ難くなり、火花放電ギャップを確保するための曲げ加工が難しくなるという問題もあった。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解消することに係り、主体金具の先端面の面積を変えずに、接地電極の断面積を増やして、接地電極の耐折損性を向上させることができるスパークプラグを提供することにある。
本発明の前述した目的は、下記の構成により達成される。
(1) 筒状の主体金具と、前記主体金具の先端面に溶接された接地電極と、を備えるスパークプラグであって、
前記先端面において径方向の厚みが最小となる部位の肉厚をA、前記先端面の最大内径をd、前記先端面の最小外径をD、前記接地電極が溶接された部分の前記先端面の肉厚をK、としたとき、次の式(1)及び(2)を満たすことを特徴とするスパークプラグ。
K≧1.1A・・・(1)
K≧(D−d)/2・・・(2)
(2) 前記先端面は、円形の外周縁と、円形の内周縁とを有し、
前記外周縁の中心と前記内周縁の中心とが0.5mm以上偏心していることを特徴とする上記(1)に記載のスパークプラグ。
上記(1)の構成によれば、接地電極が溶接された部分の前記先端面の肉厚Kが、1.1A以上かつ(D−d)/2以上となる部分に接地電極が溶接される。従って、前記先端面の内外周縁が同心の真円形で、前記先端面の外径がD、内径がdであった従来の主体金具の場合と比較すると、先端面の断面積は従来と同一に制限していても、従来よりも肉厚の厚い部分に接地電極が溶接されるので、耐折損性を向上させることができる。
そして、上記(1)の構成では、主体金具の先端面において肉厚が最小となる部位の肉厚をA、前記先端面の最大内径をd、前記先端面の最小外径をD、前記先端面上の前記接地電極が溶接された部分における肉厚をK、としたとき、K≧1.1A、且つ、K≧(D−d)/2、の2つの条件を満足する部分に溶接するため、接地電極の板厚を従来よりも確実に厚くすることができる。従って、主体金具の先端面の面積を変えずに、接地電極の板厚の増加によって接地電極の断面積を増やして、接地電極の耐折損性を向上させることができる。
更に、主体金具の先端面上の接地電極が溶接された部分の肉厚が、従来の主体金具の肉厚よりも大きく設定されている。そのため、接地電極の断面形状は、主体金具の先端面の湾曲に沿う湾曲形状を付与せず、単純な長方形断面のままでも、従来と比較して、接地電極の板厚を増加させることができる。
従って、接地電極の断面形状を、単純な長方形に設定しておいて、火花放電ギャップを確保するための曲げ加工等を容易にすることもできる。
上記(2)の構成によれば、先端面の外周縁及び内周縁の偏心量αを調整することで、接地電極が溶接された部分の先端面における最大肉厚を調整することができる。そして、偏心量αを、0.5mm以上の大きさに設定することで、主体金具の先端面の半周以上が、肉厚が(D−d)/2よりも大きな領域となり、耐折損性の向上が顕著になる板厚の接地電極の溶接に適した肉厚の溶接領域の確保が容易になる。
本発明によるスパークプラグによれば、先端面の内外周縁が同心の真円形であった従来の主体金具の場合と比較すると、主体金具の先端面の肉厚が均一ではなくなり、先端面の断面積は従来と同一に制限していても、従来よりも肉厚の厚い部分を形成することができる。
そして、本発明によるスパークプラグによれば、接地電極を溶接する部分を従来よりも肉厚にすることができ、接地電極の板厚を従来よりも確実に厚くすることができる。従って、主体金具の先端面の面積を変えずに、接地電極の板厚の増加によって接地電極の断面積を増やして、接地電極の耐折損性を向上させることができる。
更に、本発明によるスパークプラグによれば、主体金具の先端面上の接地電極が溶接された部分自体の肉厚が、従来の主体金具の肉厚よりも大きく設定されている。そのため、接地電極の断面形状は、主体金具の先端面の湾曲に沿う湾曲形状を付与せず、単純な長方形断面のままでも、従来と比較して、接地電極の板厚を増加させることができる。
従って、接地電極の断面形状を、単純な長方形に設定しておいて、火花放電ギャップを確保するための曲げ加工等を容易にすることもできる。
本発明に係るスパークプラグの第1実施形態の縦断面図である。 図1の要部の拡大図である。 (a)は図1に示した主体金具の側面図、(b)は(a)のX1矢視図である。 図1に示した主体金具の先端面の拡大図である。 主体金具の先端面に溶接された接地電極の耐折損性を検査する方法の説明図である。 第1実施形態の作用・効果を確認するために、先端面の内外周縁の偏心量を相異させた複数の主体金具に、板厚の異なる接地電極を溶接して、耐折損性を測定した結果であり、接触面の肉厚比と接地電極の破断回数との相関を示すグラフである。 (a)は本発明に係るスパークプラグの第2実施形態における主体金具の側面図、(b)は(a)のX2矢視図である。 (a)は本発明に係るスパークプラグの第3実施形態における主体金具の側面図、(b)は(a)のX3矢視図である。 本発明に係るスパークプラグの第4実施形態における主体金具の先端面の形状の説明図である。 本発明に係るスパークプラグの第5実施形態における主体金具の先端面の形状の説明図である。
以下、本発明に係るスパークプラグの好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1〜図4は本発明に係るスパークプラグの第1実施形態を示したもので、図1は本発明に係るスパークプラグの第1実施形態の縦断面図、図2は図1の要部の拡大図、図3(a)は図1に示した主体金具の側面図、図3(b)は図3(a)のX1矢視図、図4は図1に示した主体金具の先端面の拡大図である。
この第1実施形態のスパークプラグ1は、図1及び図2に示すように、中心軸線Oに沿って真直な軸状の中心電極3と、その中心電極3の外周に設けられた筒状の絶縁体5と、絶縁体5の外周に嵌着された筒状の主体金具7と、一端9aが主体金具7の先端面7aに溶接されると共に他端9bが中心電極3の先端と対向するように配置されて中心電極3との間に火花放電ギャップGを形成する接地電極9と、を備える。
本実施形態では、主体金具7の先端面7aの内外周縁の形状は、周方向の一部の領域がその他の領域よりも筒壁の肉厚が大きく形成されている。
更に詳しく説明すると、本実施形態の場合、図3及び図4に示すように、先端面7aの内周縁11は直径がdの真円形、外周縁13は直径がDの真円形である。但し、図4に示すように、内周縁11の中心O2を外周縁13の中心O1から距離αだけ偏心させることで、一部の領域の肉厚が大きくなるように形成される。
このように、先端面7aが真円形同士を偏心させた形状の場合は、先端面7aの肉厚は、図4に示すように、偏心方向に延びる線分(中心O1とO2とを通る線分)Y1−Y2上で対向する2位置の内の一方(図4では右端の部位)で最小値となり、他方(図4では左端の部位)で最大値となる。
本実施形態の場合は、先端面7aにおいて、偏心量αに応じて、一部大きくなった肉厚の値が変化する。本実施形態の場合、肉厚が増加した領域の中の一部の領域を、接地電極9を溶接する部分Sに設定する。
本実施形態の場合、接地電極9を溶接する部分Sは、次の条件で設定する。
図4に示すように、先端面7aにおいて肉厚が最小となる部位の肉厚をA、先端面7aの内周縁11の直径をd、先端面7aの外周縁13の直径をD、前記先端面7a上の前記接地電極9が溶接される領域である溶接領域における肉厚をK、とするとき、
K≧1.1A、且つ、K≧(D−d)/2、
の2つの条件を満足する領域を、接地電極9を溶接する部分Sに設定する。
図4の場合は、接地電極9を溶接する部分Sが、先端面7a上で肉厚が最大となる部位の肉厚Kmaxを含む範囲になっている。
ここに、Kmax=α+(D−d)/2である。
本実施形態の場合、接地電極9を溶接する部分Sに溶接する接地電極9は、横断面形状が単純な長方形で、接地電極9を溶接する部分Sに収まるように、幅寸法Wと板厚寸法Tが設定される。板厚寸法Tとしては、接地電極9を溶接する部分Sからはみ出さない範囲で、できる限り大きな値が設定される。具体的には、TKmaxになる。
なお、図4において示した寸法tは、内周縁11と外周縁13とを同心にした場合における肉厚を示したものである。
本実施形態の場合、先端面7aの内周縁と外周縁との偏心量αは、0.5mm以上の大きさに設定される。
以上に説明した第1実施形態のスパークプラグ1では、主体金具7の先端面7aは、周方向の一部の領域がその他の領域よりも筒壁の肉厚が増加した領域となるように、先端面7aの形状が設定されている。
従って、先端面の内外周縁が同心の真円形で、先端面の外径がD、内径がdであった従来の主体金具の場合と比較すると、主体金具7の先端面7aの肉厚が均一ではなくなり、先端面7aの断面積は従来と同一に制限していても、図4に示すように、従来よりも肉厚の厚い領域を形成することができる。
そして、第1実施形態のスパークプラグ1では、主体金具7の先端面7aにおいて肉厚が最小となる部位の肉厚をA、先端面7aの内周縁11の直径をd、先端面7aの外周縁13の直径をD、先端面7a上の接地電極9が溶接される部分Sにおける先端面7aの肉厚をK、とするとき、K≧1.1A、且つ、K≧(D−d)/2、の2つの条件を満足する。そのため、接地電極9の板厚を従来よりも確実に厚くすることができる。
従って、従来のものと比較して、主体金具7の先端面7aの面積を変えずに、接地電極9の板厚の増加によって接地電極9の断面積を増やして、接地電極9の耐折損性を向上させることができる。
更に、主体金具7の先端面7a上の接地電極9が溶接される部分S自体の肉厚が、従来の主体金具の肉厚よりも大きく設定されている。そのため、接地電極9の断面形状は、主体金具7の先端面7aの湾曲に沿う湾曲形状を付与せず、図4に示したような単純な長方形断面のままでも、従来と比較して、接地電極9の板厚を増加させることができる。
従って、接地電極9の断面形状を、単純な長方形に設定しておいて、火花放電ギャップGを確保するための曲げ加工等を容易にすることもできる。
更に、本実施形態のスパークプラグ1では、先端面7aの外周縁13及び内周縁11の偏心量αを調整することで、最大肉厚を調整することができる。そして、偏心量αを、0.5mm以上の大きさに設定することで、主体金具7の先端面7aの半周以上が、肉厚が(D−d)/2よりも大きな領域となり、耐折損性の向上が顕著になる板厚の接地電極9の溶接に適した部分Sの確保が容易になる。
本願発明者は、以上の第1実施形態における効果を実証するため、下記表1に示すように、内周縁11と外周縁13とに偏心がない従来構造の主体金具のサンプルと、第1実施形態から逸脱しないように偏心量を付与した主体金具サンプルを、それぞれ11個ずつ作成した。
なお、表1に示すように、偏心無しの主体金具のサンプルの場合は、実際にはわずかに偏心しており、実際の偏心量が0.09mm〜0.19mmの範囲で、平均0.14mmになっている。また、偏心有りの本実施形態の主体金具のサンプルの場合は、実際の偏心量が1.80mm〜2.30mmの範囲で、平均1.87mmになっている。
Figure 2013012462
そして、表1に示した各サンプルの主体金具毎に、以下の表2に示すように、予め用意しておいた板厚の異なる5種類の接地電極を順に溶接して、耐折損性の試験を行った。
5種類の接地電極は、以下の表2に示すように、板厚が1.3mm、1.8mm、2.3mm、2.8mm、3.3mmの5種類である。
耐折損性の試験の方法は、図5に示すように、サンプルの主体金具7の先端面7aに、接地電極9の一端9aを溶接する。そして、先端面7aに起立状態に溶接された接地電極9の先端面7aから2mm離れた部位を、折り曲げ用の治具21で、90度折り曲げた後、元の起立状態に曲げ戻す操作を繰り返す。
次の表2は、上記の折り曲げ試験における測定結果をまとめたものである。
表2では、表1に示したそれぞれのサンプルについて、上記の5種類の各接地電極ごとに、折り曲げ破断回数を測定した。
折り曲げ破断回数は、サンプルの主体金具に溶接された接地電極9が破断するまでの折り曲げの繰り返し回数を計数したもので、90度折り曲げた後、元の起立状態に曲げ戻して、1回と数える。
Figure 2013012462
測定時には、折り曲げ破断回数に応じて、耐折損性を、優(◎)、良(○)、不可(×)の3段階に判定した。優(◎)は折り曲げ破断回数が4回以上、良(○)は折り曲げ破断回数が3〜3.5回、不可(×)は折り曲げ破断回数が2.5回以下である。
先端面の内周縁の中心が外周縁の中心に対して偏心していない偏心無しの従来構造の主体金具の場合は、板厚の大きな2種の接地電極(2.8mm、3.3mm)において、耐折損性が不可と判定される結果となった。これは、接地電極の板厚が主体金具の先端面の肉厚よりも大きく、接地電極の板厚の一部の範囲が先端面の厚みの外にはみ出して溶接されたため、十分な溶接強度が得られなかったためである。
一方、先端面の内周縁の中心が外周縁の中心に対して偏心している本実施形態の主体金具の場合は、板厚が最大の接地電極(3.3mm)においても、耐折損性が良と判定され、それ以外の板厚の接地電極の場合は、いずれも耐折損性が優と判定され、偏心無しの場合と比較して、明かに、耐折損性が向上していることが確認できた。
図6のグラフは、上記の折り曲げ試験の測定結果を整理したもので、上記の折り曲げ破断回数と、主体金具の先端面の肉厚との相関を示している。
図6のグラフでは、縦軸には折り曲げ破断回数を取り、横軸には電面肉厚比を取って、各サンプルにおける折り曲げ破断回数と電面肉厚比との相関を示している。グラフ中の2つの直線は、すべてのサンプルの95%が入る領域の上限と下限とを示したものである。
折り曲げ破断回数は、上記の定義の通りである。
電面肉厚比は、先端面7aの接地電極9が溶接される部分Sにおける肉厚Kを、先端面7a上の最小の肉厚Aで割った値である。
図6にも示しているように、電面肉厚比と折り曲げ破断回数とは比例関係にあり、折り曲げ破断回数を3回以上となるときの電面肉厚比の下限値は1.099であった。本発明の第1実施形態では、電面肉厚比を1.1以上に規定しているため、本実施形態のサンプルでは、いずれも、折り曲げ破断回数が3以上となり、耐折損性が向上していることを確認することができた。
本発明に係る主体金具の先端部の具体的な形状は、第1実施形態に示した形状に限らない。以下の図7〜図10に示すような形状とすることも可能である。
図7(a)は本発明に係るスパークプラグの第2実施形態における主体金具の側面図、図7(b)は図7(a)のX2矢視図である。
この第2実施形態の主体金具7Aの場合は、第1実施形態の主体金具7の一部を改良したものである。改良点は、主体金具7Aの先端面7aAは、内周縁11Aに、内径方向に張り出す凸部23を一体形成して、先端面7aAの肉厚を増加させて、接地電極9の溶接を容易にしている。
先端面7aAにおいて、凸部23の内周縁11aの中心を外周縁13Aの中心に対して偏心させている。
図8(a)は本発明に係るスパークプラグの第3実施形態における主体金具の側面図、図8(b)は図8(a)のX3矢視図である。
この第3実施形態の主体金具7Bの場合は、第1実施形態の主体金具7の一部を改良したものである。改良点は、先端面7aB側は、軸方向に沿う長さL1の範囲を、基端側よりも筒壁の肉厚を厚くした厚肉部24に形成して、接地電極9の溶接を容易にしている。
先端面7aBにおいて、厚肉部24の内周縁11Bの中心を外周縁13Bの中心に対して偏心させている。
図9は、発明に係るスパークプラグの第4実施形態における主体金具の先端面の形状の説明図である。
この第4実施形態の主体金具7Cの場合は、外周縁13Cが真円ではなく、周の一部領域が歪んだ形状になっている。すなわち、外周縁13Cの一部に、真円の仮想線F1よりも外側に膨出した膨出部26が設けられている。
そして、膨出部26によって、周方向の一部の領域に、その他の領域よりも筒壁の肉厚が増加した領域が形成されている。
このように、本発明に係る主体金具の先端面において、肉厚が増加した領域は、真円形状の偏心ではなく、外周縁の一部に形成した膨出部によって確保するようにしても良い。
図9に示したように、先端面7aCの外周縁13Cが真円ではない場合、接地電極を溶接する部分は、次のように設定される。
即ち、先端面7aCにおいて径方向の厚みが最小となる部位の肉厚をA、先端面7aCの最大内径をd、先端面7aCの最小外径をD、先端面7aC上の接地電極9が溶接される部分における肉厚をK、とするとき、
K≧1.1A、且つ、K≧(D−d)/2、の2つの条件を満足する領域(斜線で示す)を、前記溶接領域に設定する。
図10は、発明に係るスパークプラグの第5実施形態における主体金具の先端面の形状の説明図である。
この第5実施形態の主体金具7Dの場合は、内周縁11Cが真円ではなく、周の一部領域が歪んだ形状になっている。すなわち、内周縁11Cの一部に、真円の仮想線F2よりも内側に膨出した膨出部27が設けられている。
そして、膨出部27によって、周方向の一部の領域に、その他の領域よりも筒壁の肉厚が増加した肉厚増加領域が形成されている。
このように、本発明に係る主体金具の先端面において、接地電極を溶接する部分は、真円形状の偏心ではなく、内周縁の一部に形成した膨出部によって確保するようにしても良い。
図10に示したように、先端面7aDの内周縁11Cが真円ではない場合、接地電極を溶接する部分は、次のように設定される。
即ち、先端面7aDにおいて肉厚が最小となる部位の肉厚をA、先端面7aDの最大内径をd、先端面7aDの最小外径をD、先端面7aD上の接地電極9が溶接される部分の肉厚をK、とするとき、
K≧1.1A、且つ、K≧(D−d)/2、の2つの条件を満足する領域(斜線で示す)を、接地電極9が溶接される部分に設定する。
以上に説明した第2実施形態〜第5実施形態の場合も、第1実施形態と同様に、主体金具の先端面の面積を変えずに、接地電極の断面積を増やして、接地電極の耐折損性を向上させることができる。
なお、本発明のスパークプラグは、前述した各実施形態に限定されるものでなく、適宜な変形、改良等が可能である。
また、第1実施形態では、接地電極を溶接する部分Sを、肉厚が最大となる位置に設定している。しかし、接地電極を溶接する部分Sの位置は、上記実施形態に限るものではなく、前述したK≧1.1A、と、K≧(D−d)/2、の2つの条件を満足する領域であれば、任意の位置に設定することができる。
1 スパークプラグ
3 中心電極
5 絶縁体
7,7A,7B,7C,7D 主体金具
7a,7aA,7aB,7aC,7aD 先端面
9 接地電極
11,11A,11B,11C,11D 内周縁
13,13A,13B,13C,13D 外周縁
α 偏心量

Claims (2)

  1. 筒状の主体金具と、前記主体金具の先端面に溶接された接地電極と、を備えるスパークプラグであって、
    前記先端面において径方向の厚みが最小となる部位の肉厚をA、前記先端面の最大内径をd、前記先端面の最小外径をD、前記接地電極が溶接された部分の前記先端面の肉厚をK、としたとき、次の式(1)及び(2)を満たすことを特徴とするスパークプラグ。
    K≧1.1A・・・(1)
    K≧(D−d)/2・・・(2)
  2. 前記先端面は、円形の外周縁と、円形の内周縁とを有し、
    前記外周縁の中心と前記内周縁の中心とが0.5mm以上偏心していることを特徴とする請求項1に記載のスパークプラグ。
JP2012077692A 2011-05-27 2012-03-29 スパークプラグ Expired - Fee Related JP5354313B2 (ja)

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