JP2013524437A - 火花点火装置、およびそのための接地電極、およびその構築方法 - Google Patents

Abstract

火花点火装置、金属シェル、および構築の方法が提供される。火花点火装置は、長手方向軸に沿って延在するセラミック絶縁体と、金属シェル（２２）とを有する。金属シェル（２２）は、長手方向軸に沿って遠端（４８）へ延在する。中心電極はセラミック絶縁体中に受けられ、長手方向軸に沿って延在する。接地電極（２４）は、溶接接合部によってシェル（２２）の遠端（４８）に固定される取付端（６８）と、遠端（４８）から延在して火花ギャップを設ける自由端（７０）とを有する。溶接接合部は抵抗溶接接合部（７６）およびレーザ溶接接合部（７８）を有し、これらは組合さって、材料の散りを抑制し、シェルへの接地電極の確実で強い取付部を設け、接地電極（２４）とシェル（２２）との間の改良された熱伝導経路を設け、かつシェル（２２）への接地電極（２４）の繰り返し可能で正確な位置決めを容易にする。

Description

発明の背景
１．技術分野
この発明は内燃機関用のスパークプラグなどの火花点火装置に一般的に関し、より特定的には、火花点火装置の金属シェルに取付けられる接地電極およびその構築方法に関する。

２．関連技術
近代の自動車は、増大するパワー、低燃費、および低排出ガス要件を満たすことが求められており、その結果、エンジン中の燃焼雰囲気の温度が上昇している。したがって、火花点火装置は上昇する温度に晒され、そのため使用寿命の低減を呈している。これに応じて、特に接地電極発火端の領域での火花点火装置の熱放散のいかなる改良も、火花点火装置の潜在的な有用寿命を延ばすにあたって歓迎されている。

さらに、公知のプロセスに従うと、接地電極は、接地電極の発火端を取囲む過剰な量の接地電極材料を有して製造される。発火端付近に過剰な接地電極材料が存在すると、接地電極のこの領域から熱が放散しにくくなり、これにより接地電極およびその上の発火端に対して有害な影響を及ぼしてしまう。発火端に隣接して真っ直ぐなまたは先細の構成が切削されてもされなくても、過剰な材料は、接地電極発火端付近の領域を形作るのに用いられる公知の機械的トリミングプロセスに主によって生じる。典型的には切削プロセスが用いられることを考慮すると、予め定められた量の接地電極材料が接地電極の外周と発火端との間に残っていなければならない。

この発明に従って構築される火花点火装置は、当業者には明らかであるように、これらおよび他の問題を扱っている。

発明の概要
発明の１つの局面に従うと、火花点火装置が提供される。火花点火装置は、長手方向軸に沿って延在するほぼ環状のセラミック絶縁体と、セラミック絶縁体の少なくとも一部を取囲む金属シェルとを有する。金属シェルは、近端と遠端との間に長手方向軸に沿って延在する。中心電極は、少なくとも部分的にセラミック絶縁体中に受けられ、長手方向中心軸に沿って同軸に延在する。接地電極は、溶接接合部によってシェルの遠端に固定される取付端と、遠端から延在して中心電極と接地電極との間に火花ギャップを設ける自由端とを有する。溶接接合部は抵抗溶接接合部およびレーザ溶接接合部を含み、これは組合さって、材料の散り（expulsion）を抑制し、シェルへの接地電極の確実な強い取付部を設け、接地電極とシェルとの間に改良された熱伝導経路を設け、かつシェルに対する接地電極の繰り返し可能で正確な位置決めを容易にする。

発明の別の局面に従うと、火花点火装置のための金属シェルが提供される。金属シェルは、近端と遠端との間に長手方向軸に沿って延在する環状本体と、溶接接合部によって本体の遠端に固定される取付端と遠端から延在するる自由端とを有する接地電極とを含む。溶接接合部は、抵抗溶接接合部およびレーザ溶接接合部を有する溶融池（weld pool）を含む。

発明の別の局面に従うと、火花点火装置を構築する方法が提供される。方法は、長手方向軸に沿って延在するほぼ環状のセラミック絶縁体を設けるステップと、少なくとも部分的にセラミック絶縁体中に中心電極を配設するステップとを含む。さらに、金属シェルが長手方向軸に沿って遠端へ延在した状態でセラミック絶縁体の少なくとも一部の周りに金属シェルを配設するステップを含む。さらに、接地電極の取付端をシェルの遠端に抵抗溶接するステップと、次に接地電極の取付端をシェルの遠端にレーザ溶接するステップとを含む。

発明の別の局面に従うと、火花点火装置のための外側金属シェルを構築する方法が提供される。方法は、近端と遠端との間に長手方向軸に沿って延在する環状の金属シェルを形成するステップを含む。さらに、取付端と発火端とを有する接地電極を設けるステップを含む。次に、接地電極の取付端をシェルの遠端に抵抗溶接するステップと、またさらに、接地電極の取付端をシェルの遠端にレーザ溶接するステップとを含む。

発明のこれらおよび他の局面、特徴、および利点は、現在好ましい実施形態および最良モードの以下の詳細な説明、添付の請求項、ならびに付随する図面と関連して考慮されるとより容易に認められるであろう。

発明の１つの局面に従う、接地電極が外側金属シェルの遠端に取付けられた点火装置の断面立面図である。 金属シェルの遠端から取外した接地電極を示す点火装置の拡大部分立面図である。 図２Ａの線２Ｂ−２Ｂにほぼ沿った拡大断面図である。 金属シェルの遠端上に静置している接地電極の取付端を示す図である。 金属シェルの遠端に抵抗溶接された接地電極の取付端を示す、図２Ｃと同様の図である。 図２Ｄの線２Ｅ−２Ｅにほぼ沿った拡大断面図である。 接地電極の遠端への取付端のレーザ溶接接合の開始を示す断面図である。 接地電極の遠端に接地電極を固定するレーザ溶接接合の完了を示す、図３Ａと同様の図である。

現在好ましい実施形態の詳細な説明
図面をより詳細に参照して、図１は、内燃機関中の混合気に点火するのに用いられる発明の１つの現在好ましい局面に従って構築される火花点火装置１０を図示する。例示的な火花点火装置１０は、とりわけ、公知の態様で酸化アルミニウムまたは別の好適な電気絶縁材料から作製される環状セラミック絶縁体１２を含むスパークプラグの形態で図示される。絶縁体１２は、上側末端１６と中心電極２０が配設される下側ノーズまたはコア端１８との間に長手方向に延在する中央通路１４を有する。中心電極２０は、その自由端に、以下点火先端２１と称される点火面を有する。導電性金属シェル２２は、絶縁体１２の下方および中間部分付近に封止関係で配設され、さまざまな鋼合金などの任意の好適な金属から作られてもよく、公知の態様でＺｎまたはＮｉ系の合金被覆などで被覆されてもよい。シェル２２は、発明に従って製造され、溶接接合部２６を介してそれに固定される少なくとも１つの接地電極２４を有し、これにより、接地電極２４は、シェル２２に対して最小限のアプセットおよび変形で正確に位置決めされ、この結果、放出される材料の二次的な清掃が最小限になるかまたはまったくなくなり、溶接接合部２６を介して確実な強い取付部が作られ、接地電極２４とシェル２２との間に改良された熱伝導経路が確立され、かつシェル２２への接地電極２４の取付けの繰り返し可能な場所決めおよび向き決めが保証される。

導電性端子スタッド２８は、絶縁体１２の中央通路１４中に配設され、端子スタッド２８の下側自由端３０は抵抗層３２に隣接して配設され、抵抗層３２は下側端３０と中心電極２０の上側端３４との間に配置される。導電ガラスシール３６、３８はそれぞれ、抵抗層３２をスタッド２８および中心電極２０から分離する。この抵抗層３２は、電磁干渉（ＥＭＩ）を抑えるような適用例で用いられる任意の好適な組成から作ることができる。

導電性金属シェル２２は、さまざまな被覆されたおよび被覆されていない鋼合金を含む任意の好適な金属から作られてもよい。シェル２２は、ほぼ環状の外面４２および内面４３を有し、近端とも称される上側末端４６と遠端とも称される下側締結端４８との間に長手方向中心軸４４に沿って延在するほぼ環状の管状シェル本体４０を有する。締結端４８は典型的に、エンジンブロック（図示せず）の燃焼室開口内のねじ切りによる取付けのために構築される雄ねじ切り領域５０を有する。シェル１２には、外部六角形工具受け部材５２または他の特徴を設けて、燃焼室開口中のスパークプラグ１０の取外しおよび設置を容易にしてもよい。特徴のサイズは好ましくは、関連の適用例用のこの種類の業界標準工具サイズと合っている。当然ながら、いくつかの適用例は、スパナレンチを受けるスロットなどの六角形以外の工具受け境界面、またはレーシングスパークプラグおよび他の適用例で公知のものなどの他の特徴を求めるかもしれない。シェル１２は、外面４２から径方向外向きに延在して、ねじ切り領域５０がそこから垂下する環状のほぼ平面の封止座部５６を設ける環状フランジ５４も有する。封止座部５６は、ガスケット（図示せず）と対にされて、シェル２２の外面と燃焼室開口中のねじ切りボアとの間の空間の熱風封止を容易にしてもよい。これに代えて、封止座部５６は、シェル２２の下側部分に沿って位置して、この形式のスパークプラグ座部のための嵌合せ先細部を有するようにも設計されるシリンダヘッド中で精密さおよび自己密封設置を与える先細座部として構築されてもよい。

シェル２２への接地電極２４の固定を容易にするため、シェル２２の遠端４８は、中心軸４４に対して横断するように延在する実質的に平らな面６０を有し、そこから軸方向外側に突出部６２が延在している。突出部６２は、一例としてかつこれに限定されることなく、機械加工、冷間成形、または成型を含むさまざまなプロセスを用いて形成することができる。突出部６２は、遠端４８の全周の周りに延在する環状リブとして表され、リブは、一例として、底辺部６４と台地頂部６６とを有して軸方向断面をほぼ台形として表される。本明細書中では、たとえば、三角形、矩形、または半円などの、軸方向断面で見られるような他の外形が企図されることを認識すべきである。図２Ｂに最もよく示されるように、突出部６２は、径方向外面４２と径方向内面４３との間に一般的に中心決めされ、突出部６２の底辺部６４は、平らな面６０のすぐ隣の外面４２と内面４３との間に延在する幅Ｗ２よりも小さい幅Ｗ１を有するものとして表され、接地電極２４をシェル２２に固定すると突出部６２の材料のばり（flash）の散りを防止するかまたは実質的に防止する。突出部６２は、たとえば、約０．００５″から０．０１５″の間などの予め定められた距離Ｄに亘って底辺部６４から頂部６６へ軸方向に延在し、Ｄは、接地電極２４をシェル２２に固定すると突出部６２の材料の散りをさらに防止するまたは実質的に防止するように予め定められる。

接地電極２４は、溶接接合部２６によってシェル２２の遠端４８に固定される取付端６８と、取付端６８から延在する自由端７０とを有し、これに点火先端７２が取付けられて、中心電極２０の点火先端２１と接地電極２４の点火先端７２との間に火花ギャップ７４を設ける。接地電極２４は、一例としてかつこれに限定されることなく、図面に図示される標準的な単一のＬ字型の構成などの多数の形状、サイズ、および構成のうち任意のものを有してもよい。図３Ｂに最もよく示されるように、取付端は、突出部６２の底辺部６４の幅Ｗ１よりも大きい予め定められた幅Ｗ３を有し、幅Ｗ３も、平らな面６０のすぐ隣のシェルの壁の幅Ｗ２と実質的に等しいかこれからわずかに低減されている。このように、以下にさらに論じるように、シェル２２に接地電極２４を固定すると、突出部６２の材料は、接地電極２４の取付端６８の下から外に放出されることが防止されるかまたは実質的に抑制される。

シェル２２の遠端４８への接地電極２４の固定という取付けプロセスの間、図２Ｃに示されるように、接地電極２４の取付端６８は、突出部６２の頂部６６と当接され、これにより頂部６６は取付端６８の幅Ｗ３の間に実質的に中心決めされる。次に、図２Ｄに最もよく示されるように、取付端６８がシェル遠端４８の平らな面６０と同一平面上になるまたは実質的に同一平面上になるまで取付端６８が突出部６２の中に埋め込まれると、結果的に抵抗溶接プロセスが起こる。抵抗溶接プロセスを行なうと、接地電極２４の取付端６８とシェル２２の遠端４８との間に抵抗溶接接合部７６が形成され、それぞれの幅Ｗ１、Ｗ２、およびＷ３同士の間の幾何学的関係により、抵抗溶接接合部７６は、取付端６８と平らな面６０との間に空隙のない界面を設ける一方で、同時に、抵抗溶接接合部７６は、接地電極取付端６８の幅Ｗ３の下に閉じ込められるまたは実質的に閉じ込められたままとなり、これにより接地電極２４の取付端６８から外へのシェル遠端４８の材料の散りを防止するまたは抑制する。

次に、図３Ａおよび図３Ｂに示されるように、抵抗溶接接合部７６を形成して接地電極２４をシェル２２に対するその好ましい位置に場所決めすると、レーザ溶接プロセスを介してシェル２２への接地電極２４のさらにしっかりとした固定が結果的に行なわれ、レーザ溶接接合部７８が接地電極２４の取付端６８の実質的に付近に形成される。レーザ溶接接合部７８は、シェル２２に対する接地電極２４の場所を変更または実質的に変更しなくても形成され、したがって接地電極２４の取付端６８はシェル２２の平らな面６０と同一平面上に留まるまたは実質的に同一平面上に留まる。このように、突出部６２および接地電極２４からの材料を含むシェル２２の材料の配合物を備える、形成されるレーザ溶接接合部７８は、二次的清掃作業を必要とする程度に著しく材料を放出させない。したがって、レーザ溶接プロセスは製造が経済的であり、さらに、抵抗溶接接合部７６と組合せると、使用の際に接地電極２４およびその点火先端７２を適切に位置決めしたままにしつつ、シェル２２への接地電極２４の確実な強い取付部を形成し、接地電極２４とシェル２２との間での改良された熱伝導を与え、製造プロセスを通じて接地電極２４のシェル２２への取付けの繰り返し可能な場所決めおよび向き決めを提供できることにさらに寄与するという付加される保証を与える。

明らかに、上記教示に照らして本発明の多数の修正例および変形例が可能である。したがって、添付の請求項の範囲内で、具体的に記載された以外の態様で発明を実践してもよいことを理解すべきである。応じて、発明は、以上で論じた例示的な実施形態のみによってではなく、任意の許可された請求項の範囲によって最終的に規定される。

シェル２２への接地電極２４の固定を容易にするため、シェル２２の遠端４８は、中心軸４４に対して横断するように延在する実質的に平面の面６０を有し、そこから軸方向外側に突出部または突起６２が延在している。突出部６２は、一例としてかつこれに限定されることなく、機械加工、冷間成形、または成型を含むさまざまなプロセスを用いて形成することができる。突出部６２は、遠端４８の全周の周りに延在する環状リブとして表され、リブは、一例として、底辺部６４と台地頂部６６とを有して軸方向断面をほぼ台形として表される。本明細書中では、たとえば、三角形、矩形、または半円などの、軸方向断面で見られるような他の外形が企図されることを認識すべきである。図２Ｂに最もよく示されるように、突出部６２は、径方向外面４２と径方向内面４３との間に一般的に中心決めされ、突出部６２の底辺部６４は、平面の面６０のすぐ隣の外面４２と内面４３との間に延在する幅Ｗ２よりも小さい幅Ｗ１を有するものとして表され、接地電極２４をシェル２２に固定すると突出部６２の材料のばり（flash）の散りを防止するかまたは実質的に防止する。突出部６２は、たとえば、約０．００５″から０．０１５″の間などの予め定められた距離Ｄに亘って底辺部６４から頂部６６へ軸方向に延在し、Ｄは、接地電極２４をシェル２２に固定すると突出部６２の材料の散りをさらに防止するまたは実質的に防止するように予め定められる。

Claims (20)

1. 火花点火装置であって、
   前記火花点火装置の長手方向軸に沿って延在するほぼ環状のセラミック絶縁体と、
   前記セラミック絶縁体の少なくとも一部を取囲む金属シェルとを備え、前記金属シェルは近端と遠端との間に前記長手方向軸に沿って延在し、さらに
   少なくとも部分的に前記セラミック絶縁体中に受けられ、前記長手方向軸に沿って同軸に延在する中心電極と、
   溶接接合部によって前記シェルの前記遠端に固定される取付端と前記遠端から延在して前記中心電極と接地電極との間に火花ギャップを設ける自由端とを有する接地電極とを備え、前記溶接接合部は抵抗溶接接合部およびレーザ溶接接合部を含む、火花点火装置。
2. 前記遠端は、前記長手方向軸に対して横断するように延在する実質的に平面の部分を有し、前記接地電極の前記取付端は前記平面の部分と実質的に同一平面上に留まる、請求項１に記載の火花点火装置。
3. 前記遠端は、前記平面の部分から軸方向に延在する突起を有し、前記接地電極の前記取付端は前記突起の中に延在する、請求項２に記載の火花点火装置。
4. 前記溶接接合部は前記突起の材料を含む、請求項３に記載の火花点火装置。
5. 前記突起は環状である、請求項３に記載の火花点火装置。
6. 火花点火装置のための金属シェルであって、
   近端と遠端との間に長手方向軸に沿って延在する環状シェル本体と、
   溶接接合部によって前記シェルの前記遠端に固定される取付端と前記遠端から延在する自由端とを有する接地電極とを備え、前記溶接接合部は抵抗溶接接合部およびレーザ溶接接合部を含む、金属シェル。
7. 前記遠端は、前記長手方向軸に対して横断するように延在する実質的に平面の部分を有し、前記接地電極の前記取付端は前記平面の部分と実質的に同一平面上に留まる、請求項６に記載の金属シェル。
8. 前記遠端は、前記平面の部分から軸方向に延在する突起を有し、前記接地電極の前記取付端は前記突起の中に延在する、請求項７に記載の金属シェル。
9. 前記溶接接合部は前記突起の材料を含む、請求項８に記載の金属シェル。
10. 前記突起は環状である、請求項８に記載の金属シェル。
11. 火花点火装置を構築する方法であって、
    長手方向軸に沿って延在するほぼ環状のセラミック絶縁体を設けるステップと、
    少なくとも部分的にセラミック絶縁体中に中心電極を配設するステップと、
    金属シェルが長手方向軸に沿って遠端へ延在した状態でセラミック絶縁体の少なくとも一部の周りに金属シェルを配設するステップと、
    接地電極の取付端をシェルの遠端に抵抗溶接するステップと、
    接地電極の取付端をシェルの遠端にレーザ溶接するステップとを備える、方法。
12. 長手方向軸に対して横断するように延在する実質的に平面の部分を有する遠端を形成するステップと、平面の部分と実質的に同一平面となる関係で接地電極の取付端を固定するステップとをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 平面の部分から軸方向に延在する突起を形成するステップと、接地電極の取付端を突起の中に埋め込むステップとをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 突起の材料を含むようにレーザ溶接を介して溶接接合部を形成するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
15. 遠端付近に環状構成を有する突起を形成するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
16. 火花点火装置のための外側金属シェルを構築する方法であって、
    近端と遠端との間に長手方向軸に沿って延在する環状の金属シェルを形成するステップと、
    取付端と発火端とを有する接地電極を設けるステップと、
    接地電極の取付端をシェルの遠端に抵抗溶接するステップと、
    接地電極の取付端をシェルの遠端にレーザ溶接するステップとを備える、方法。
17. 長手方向軸に対して横断するように延在する実質的に平面の部分を有する遠端を形成するステップと、平面の部分と実質的に同一平面となる関係で接地電極の取付端を固定するステップとをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 平面の部分から軸方向に延在する突起を形成するステップと、接地電極の取付端を突起の中に埋め込むステップとをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 遠端付近に環状構成を有する突起を形成するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. 突起の材料を含むようにレーザ溶接を介して溶接接合部を形成するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。

Images