JP2015099765A

JP2015099765A - 内燃機関用スパークプラグ

Info

Publication number: JP2015099765A
Application number: JP2013259190A
Authority: JP
Inventors: 健二服部; Kenji Hattori
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2015-05-28
Anticipated expiration: 2033-12-16
Also published as: JP6248601B2

Abstract

【課題】絶縁碍子における耐電圧性の低下を防止し、優れた絶縁性を得ることができる内燃機関用スパークプラグを提供すること。【解決手段】内燃機関用スパークプラグ１は、中心電極２と、中心電極２を内側に挿通保持する絶縁碍子６と、絶縁碍子６の基端側の一部を露出させつつ、絶縁碍子６を内側に挿通保持するハウジング７と、ハウジング７に接合されて中心電極２との間に火花放電ギャップＧを形成する接地電極７１とを有している。中心電極２における絶縁碍子６の内側に配された挿通部位２１の表面には、挿通部位２１の表面における仕事関数よりも大きな仕事関数を有する材料からなる被覆層５が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関用スパークプラグに関する。

自動車等の内燃機関には、着火手段としてスパークプラグが用いられている。スパークプラグは、中心電極を内側に挿通保持する絶縁碍子と、絶縁碍子の先端側を内側に挿通保持するハウジングと、ハウジングに接合されて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有している。スパークプラグにおいては、点火コイルから高電圧を印加することにより、中心電極と接地電極との間において、火花放電ギャップの絶縁を破壊し放電火花を発生させる。
近年、内燃機関の小型化等のため、スパークプラグにおいては、小型化の要望があり、絶縁碍子の小径化が必要となり、中心電極とハウジングとの間における耐電圧の向上が望まれている。

このようなスパークプラグとしては、特許文献１に示されたものがある。特許文献１のスパークプラグは、絶縁碍子を形成するアルミナを微粒化することにより絶縁碍子における耐電圧性の向上を図っている。

特開２０１０−２０８９０１号公報

しかしながら、特許文献１に示されたスパークプラグには以下の課題がある。
特許文献１のスパークプラグにおいて、アルミナ粒径が小さいほど絶縁碍子の耐電圧性が向上するが、アルミナの微粒化には限界がある。そのため、アルミナの微粒化によって得られる絶縁碍子の耐電圧性向上効果にも限界があり、より耐電圧性を向上することができる構造が望まれている。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、絶縁碍子における耐電圧性の低下を防止し、優れた絶縁性を得ることができる内燃機関用スパークプラグを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、中心電極と、
該中心電極を内側に挿通保持する絶縁碍子と、
該絶縁碍子の基端側の一部を露出させつつ、該絶縁碍子を内側に挿通保持するハウジングと、
該ハウジングに接合されて上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有しており、
少なくとも上記中心電極における上記絶縁碍子の内側に配された挿通部位の表面には、該挿通部位の表面における仕事関数よりも大きな仕事関数を有する材料からなる被覆層が形成されていることを特徴とする内燃機関用スパークプラグにある。

内燃機関用スパークプラグ（以下、適宜スパークプラグと記す）は、燃料の燃焼及び放電電流の流通等により、その先端部近傍が高温となる。このとき、高温に加熱された中心電極においては、中心電極表面から熱励起された電子が放出される熱電子放出が生じる。中心電極から放出された電子が、絶縁碍子の内部へと侵入することにより、絶縁碍子における絶縁破壊を助長すると考えられている。

上記スパークプラグにおいては、上記中心電極の表面に、該中心電極の表面における仕事関数よりも大きな仕事関数を有する材料からなる上記被覆層が形成されている。熱電子放出は、部材の表面において発生するため、上記中心電極の表面に上記被覆層を形成することで熱電子放出を防止することができる。これにより、上記絶縁碍子に電子が侵入することを防止し、上記絶縁碍子における耐電圧性の低下を防止することができる。それゆえ、上記スパークプラグにおける絶縁破壊の発生を抑制することができる。

以上のごとく、上記内燃機関用スパークプラグによれば、絶縁碍子における耐電圧性の低下を防止し、優れた絶縁性を得ることができる。

実施例１における、内燃機関用スパークプラグを示す断面図。実施例１における、内燃機関用スパークプラグを示す部分拡大断面図。実施例１における、中心電極の断面図。実施例２における、内燃機関用スパークプラグを示す部分拡大断面図。実施例２における、中心電極の断面図。実施例３における、内燃機関用スパークプラグを示す部分拡大断面図。実施例４における、内燃機関用スパークプラグを示す部分拡大断面図。

上記内燃機関用スパークプラグにおいて、上記ハウジングの内周面には、上記絶縁碍子の外周面から外側に向かって突出した被係合部と係合される係合部が内側に向かって突出しており、少なくとも上記中心電極における上記係合部の内側に配された部位には、上記被覆層が形成されていることが好ましい。上記係合部と上記中心電極との間において、両者の間隔が小さくなるため、この部位においては、耐電圧性が低下しやすい。したがって、上記係合部の内側に上記被覆層を形成し、中心電極からの熱電子放出を防止することにより、絶縁碍子における耐電圧性の低下を抑制することができる。

また、上記絶縁碍子において、上記挿通部位と対向する内周面の少なくとも一部には、上記挿通部位の表面における仕事関数よりも大きな仕事関数を有する材料からなる碍子側被覆層が形成されていることが好ましい。この場合には、上記被覆層に加えて、上記碍子側被覆層によっても上記中心電極からの熱電子放出の防止効果を得ることができる。これにより、上記絶縁碍子における耐電圧性の低下をより効果的に抑制することができる。

（実施例１）
上記内燃機関用スパークプラグにかかる実施例について、図１〜図３を参照して説明する。
図１に示すごとく、内燃機関用スパークプラグ１は、中心電極２と、中心電極２を内側に挿通保持する絶縁碍子６と、絶縁碍子６の基端側の一部を露出させつつ、絶縁碍子６を内側に挿通保持するハウジング７と、ハウジング７に接合されて中心電極２との間に火花放電ギャップＧを形成する接地電極７１とを有している。
中心電極２における絶縁碍子６の内側に配された挿通部位２１の表面には、挿通部位２１の表面における仕事関数よりも大きな仕事関数を有する材料からなる被覆層５が形成されている。

以下、さらに詳細に説明する。
図１に示すごとく、本例のスパークプラグ１は、内燃機関において、混合気の着火をするためのものである。軸方向において、スパークプラグ１の一端は、点火コイル（図示略）と接続され、反対側の他端は、内燃機関の燃焼室（図示略）内に配される。尚、本例においては、軸方向における点火コイルと接続される側を基端側とし、燃焼室内に配される側を先端側として説明する。

図１及び図２に示すごとく、スパークプラグ１は、筒状の絶縁碍子６と、絶縁碍子６を内側に保持する筒状のハウジング７と、先端部が突出するように絶縁碍子６の内側に保持された中心電極２と、中心電極２の基端側に配されたステム８と、ハウジング７と接続された接地電極７１とを備えている。

ハウジング７は、略円筒形状に形成されており、その内側に絶縁碍子６を挿通保持している。ハウジング７は、絶縁碍子６における基端側を露出させると共に、絶縁碍子６の先端側を覆っている。ハウジング７の内周面には、同一円周上において内側に向かって環状に突出した係合部７２が形成されており、絶縁碍子６の被係合部６５と係合可能に構成されている。また、ハウジング７の外周側面には、内燃機関のシリンダヘッド（図示略）と螺号するためのネジ山が形成されておりハウジング７の先端面には、接地電極７１が配されている。
接地電極７１は、ハウジング７の先端面の一部から、先端側に延びる延設部７１１と、延設部７１１の先端から径方向内側に向かって、軸方向と直角に屈曲した対向部７１２とを有している。対向部７１２と中心電極２との間には、火花放電ギャップＧが形成されている。

図１及び図２に示すごとく、絶縁碍子６は、アルミナを略円筒形状に形成してなり、その内側に中心電極２とステム８とを保持するように形成されている。絶縁碍子６は、基端側において円筒状に形成された基端円筒部６１と、基端円筒部６１の先端側に形成された碍子大径部６２と、碍子大径部６２の先端側に形成された碍子小径部６３と、碍子小径部６３の先端側に形成されたテーパ部６４とを有している。尚、碍子小径部６３とテーパ部６４との間には、両者を繋ぐように段差が形成されており、この段差が、ハウジング７の係合部７２と係合する被係合部６５をなしている。

絶縁碍子６の内側には、点火コイルと接続されるステム８と、ステム８の先端側に接続された中心電極２とが挿通配置されている。
ステム８は、絶縁碍子６の内側に挿通保持されるステム本体８１と、ステム本体８１の基端側において絶縁碍子６から露出し点火コイルと接続されたターミナル８２とを有している。
また、ステム８と中心電極２との間には、レジスター９が配されている。このレジスター９は、スパークプラグ１における点火ノイズを抑制するためのものである。

図２及び図３に示すごとく、レジスター９を介してステム８と接続された中心電極２は、電極母材３と、電極母材３の先端に接合された放電チップ４とを有している。電極母材３は、銅合金からなる芯材３１と、ニッケル合金からなり芯材３１を覆う表面層３２とを有している。
芯材３１は、基端側に形成された円筒状の芯材大径部３１１と、軸方向から見た際の直径が芯材大径部３１１よりも小さい円筒状の芯材小径部３１２とを有している。芯材小径部３１２の先端には、軸方向と直交した方向から見たとき、先端側に向かって円弧状に縮径する芯材縮径部３１３が形成されている。

図２及び図３に示すごとく、表面層３２は、芯材３１の表面を覆うように形成されている。表面層３２は、芯材小径部３１２及び芯材大径部３１１の表面には一定の厚さで形成されている。また、芯材縮径部３１３には、芯材小径部３１２の外周面に形成された表面層における外径と同一の外径を有する円筒形状となるように、表面層３２が形成されている。つまり、中心電極２は、芯材小径部３１２、芯材縮径部３１３及び表面層３２によって形成された電極小径部２２と、芯材大径部３１１と表面層３２とによって形成され軸方向から見た外径が電極小径部２２よりも大きい電極大径部２３とを有している。尚、芯材小径部３１３の先端形状は、先端側に向かって縮径するテーパ形状をなしている。

放電チップ４は、絶縁碍子６の先端から露出するように芯材小径部３１３の先端に接合されている。放電チップ４の材料には、イリジウム、白金、ロジウム等の貴金属又はその合金等が用いられる。なお、放電チップ４は、必ずしも貴金属である必要がなく、例えば、タングステン、レニウム、タンタル、ニオブ又はその合金からなる高融点の材料であってもよい。

中心電極２の表面には、表面層３２の材料の仕事関数よりも大きい仕事関数を有する材料からなる被覆層５が形成されている。本例において、被覆層５は、白金のメッキ被膜からなり中心電極２表面の全体に形成されている。また、被覆層５における表面粗さは、表面層３２における表面粗さよりも小さく設定されている。尚、表面層３２は、メッキの他にも例えば、溶射、蒸着、スパッタ等によって形成することができる。

次に、本例の作用効果について説明する。
スパークプラグ１においては、中心電極２の表面に、中心電極２の表面における仕事関数よりも大きな仕事関数を有する材料からなる被覆層５が形成されている。熱電子放出は、部材の表面において発生するため、中心電極２の表面に被覆層５を形成することで熱電子放出を防止することができる。これにより、絶縁碍子６に電子が侵入することを防止し、絶縁碍子６における耐電圧性の低下を防止することができる。それゆえ、スパークプラグ１における絶縁破壊の発生を抑制することができる。

内燃機関用スパークプラグ１において、ハウジング７の内周面には、絶縁碍子６の外周面から外側に向かって突出した被係合部６５と係合される係合部７２が内側に向かって突出しており、少なくとも中心電極２における係合部７２の内側に配された部位には、被覆層５が形成されている。係合部７２と中心電極２との間においては、両者の間隔が小さくなるため、この部位において、耐電圧性が低下しやすい。したがって、係合部７２の内側に被覆層５を形成し、中心電極２からの熱電子放出を防止することにより、絶縁碍子６における耐電圧性の低下を抑制することができる。

また、中心電極２における基端部には、中心電極２の軸方向から見た外形が先端側よりも大きい電極大径部２３が形成されており、少なくとも電極大径部２３の表面に被覆層５が形成されている。電極大径部２３とハウジング７との間においては、両者の間隔が小さくなるため、この部位において、耐電圧性が低下しやすい。したがって、電極大径部２３に被覆層５を形成し、耐電圧性を向上することにより、絶縁碍子６における絶縁破壊の発生を抑制することができる。

また、被覆層５の表面粗さが、挿通部位２１の表面粗さよりも小さい。そのため、表面粗さを小さくすることにより、被覆層５における仕事関数を大きくすることができる。これにより、絶縁碍子６における絶縁破壊の発生を抑制することができる。

以上のごとく、本例の内燃機関用スパークプラグ１によれば、絶縁碍子６における耐電圧性の低下を防止し、優れた絶縁性を得ることができる。

尚、被覆層の材料は、白金に限るものではなく、例えば、Ｉｒ、Ａｕ、Ｒｈなど中心電極の挿通部位における表面の仕事関数よりも大きい仕事関数を有するものであればよい。また、中心電極が複数の材料によって形成されている場合、被覆層が形成される表面側に配された材料よりも仕事関数が大きい材料によって被覆層を形成することが好ましい。

（実施例２）
本例は、図４及び図５に示すごとく、実施例１の内燃機関用スパークプラグ１における構成を一部変更した例である。
本例のスパークプラグ１において、被覆層５は、中心電極２におけるハウジング７の係合部７２の内側に対向する外周側面と、芯材大径部３１１の外周側面とにそれぞれ形成されている。

尚、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。
また、本例においても実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施例３）
本例は、図６に示すごとく、実施例１の内燃機関用スパークプラグ１における構成を一部変更した例である。
本例のスパークプラグ１において、絶縁碍子６の挿通部位２１と対向する内周面には、挿通部位２１の表面における仕事関数よりも大きな仕事関数を有する材料からなる碍子側被覆層６７が形成されている。本例においては、絶縁碍子６の内周面における中心電極２の挿通部位２１と対向する範囲の全面に、白金からなる碍子側被覆層６７を形成した。尚、碍子側被覆層６７の材料は、白金以外にも、中心電極の挿通部位における表面の仕事関数よりも大きい仕事関数を有するものであればよい。碍子側被覆層６７の材料としては、例えば、Ｉｒ、Ａｕ、Ｒｈなどを用いることもできる。
尚、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例のスパークプラグ１においては、被覆層５に加えて、碍子側被覆層６７によっても中心電極２からの熱電子放出の防止効果を得ることができる。これにより、絶縁碍子６における耐電圧性の低下をより効果的に抑制することができる。
また、本例においても実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施例４）
本例は図７に示すごとく、実施例１の内燃機関用スパークプラグ１の構成を一部変更した例である。
本例のスパークプラグ１において、絶縁碍子６の内周面に形成された碍子側被覆層６７は、ハウジング７７が有する係合部７２の内側に位置する内周面と、中心電極２が有する芯材大径部３１１と対向する内周面とにそれぞれ形成されている。各碍子側被覆層６７は、係合部７２及び芯材大径部３１１と対向する部位をそれぞれ含むように、中心電極２の軸方向において、係合部７２及び芯材大径部３１１の全長よりもそれぞれ広い範囲に形成されている。
尚、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例の内燃機関用スパークプラグ１においては、中心電極２とハウジング７７との距離が小さくなる部位に碍子側被覆層６７を形成することにより、碍子側被覆層６７の材料の使用量を低減しながら、中心電極２からの熱電子放出の防止効果を得ることができる。
また、本例においても実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

１内燃機関用スパークプラグ
２中心電極
２１挿通部位
２３大径部
５被覆層
６絶縁碍子
６５被係合部
７ハウジング
７１接地電極
７２係合部

Claims

中心電極（２）と、
該中心電極（２）を内側に挿通保持する絶縁碍子（６）と、
該絶縁碍子（６）の基端側の一部を露出させつつ、該絶縁碍子（６）を内側に挿通保持するハウジング（７）と、
該ハウジング（７）に接合されて上記中心電極（２）との間に火花放電ギャップを形成する接地電極（７１）とを有しており、
少なくとも上記中心電極（２）における上記絶縁碍子（６）の内側に配された挿通部位（２１）の表面には、該挿通部位（２１）の表面における仕事関数よりも大きな仕事関数を有する材料からなる被覆層（５）が形成されていることを特徴とする内燃機関用スパークプラグ（１）。
上記ハウジング（７）の内周面には、上記絶縁碍子（６）の外周面に外側に向かって突出した被係合部（６５）と係合される係合部（７２）が内側に向かって突出しており、少なくとも上記中心電極（２）における上記係合部（７２）の内側に配された部位には、上記被覆層（５）が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用スパークプラグ（１）。
上記中心電極（２）における基端部には、該中心電極（２）の軸方向から見た外形が先端側よりも大きい大径部（２３）が形成されており、少なくとも該大径部（２３）の表面に上記被覆層（５）が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用スパークプラグ（１）。
上記被覆層（５）の表面粗さが、上記挿通部位（２１）の表面粗さよりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関用スパークプラグ（１）。
上記絶縁碍子（６）において、上記挿通部位（２１）と対向する内周面の少なくとも一部には、上記挿通部位（２１）の表面における仕事関数よりも大きな仕事関数を有する材料からなる碍子側被覆層（６７）が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関用スパークプラグ（１）。
上記ハウジング（７）の内周面には、上記絶縁碍子（６）の外周面から外側に向かって突出した被係合部（６５）と係合される係合部（７２）が内側に向かって突出しており、少なくとも上記絶縁碍子（６）における上記被係合部（７２）の内側に配された上記保持部位（６６）の内周面には、上記碍子側被覆層（６７）が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関用スパークプラグ（１）。
上記中心電極（２）における基端部には、該中心電極（２）の軸方向から見た外形が先端側よりも大きい大径部（２３）が形成されており、上記保持部位（６６）の内周面における少なくとも上記大径部（２３）と対向する部位の表面に、上記碍子側被覆層（６７）が形成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の内燃機関用スパークプラグ（１）。