JP2015225774A - 金具、スパークプラグ、センサ - Google Patents

Abstract

【課題】金具が取り付けられる際に、ガスケットの傾きを抑制できる技術を提供する。
【解決手段】金具は、先端側から後端側へと延びた胴部と、前記胴部の側壁に、前記先端側から前記後端側へと螺旋状に延びたねじ山と、前記胴部の後端側に配置されるガスケットと、を備える金具であって、最も後端側のねじ山を第１のねじ山とし、前記第１のねじ山より１ねじピッチ分、先端側のねじ山を第２のねじ山とし、前記ねじ山の中で前記第１のねじ山と前記第２のねじ山を除いた最もねじ山の高さが高いねじ山を第３のねじ山とすると；前記第３のねじ山の高さに対して、前記第１のねじ山の高さは７５％以上であり、前記第２のねじ山の高さは９０％以上である。
【選択図】図２

Description

本発明は、金具に関する。

内燃機関、例えば、ガソリンエンジンに対する点火用のスパークプラグの取り付け動作は、スパークプラグの主体金具の外表面に形成されたねじ部を、エンジンのシリンダヘッドに設けられたねじ孔に螺合させることにより行なわれる。このとき、スパークプラグとシリンダヘッドとの間のシール性は、スパークプラグが備える円環状のガスケットによって確保される。

スパークプラグをシリンダヘッドに取り付ける際には、一般に、スパークプラグから脱落しないようにガスケットがスパークプラグに予め取り付けられる。ガスケットが脱落しないようにする方法としては、スパークプラグのねじ山部分の径に比べて内周の径の小さな部分をガスケットに設ける方法がある（例えば、特許文献１）。

特開２０１３−１２５５８７号公報 特開２０００−２６６１８６号公報 特開２０１０−２７６２６号公報

しかし、ねじ部のねじ山の高さが高すぎる場合、ガスケットの自由度を奪う結果、スパークプラグが円滑に取り付けられないことがある。一方、ねじ山の高さが低すぎる場合、ガスケットが脱落する虞や、ガスケットがねじ山に引っかかったとしても、ガスケットが傾いた状態でスパークプラグに取り付けられる虞がある。また、スパークプラグのねじ山を形成する際に繊維状の金属片が発生し、その金属片がガスケットの上面や下面に噛みこまれることにより、スパークプラグとシリンダヘッドとのシール性が確保できない場合がある。このような課題は、スパークプラグに限らず、例えば、プラグやセンサにおける共通の課題である。

本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することができる。

（１）本発明の一形態によれば、金具が提供される。金具は、先端側から後端側へと延びた胴部と、前記胴部の側壁に、前記先端側から前記後端側へと螺旋状に延びたねじ山と、前記胴部の後端側に配置されるガスケットと、を備える金具であって、最も後端側のねじ山を第１のねじ山とし、前記第１のねじ山より１ねじピッチ分、先端側のねじ山を第２のねじ山とし、前記ねじ山の中で前記第１のねじ山と前記第２のねじ山を除いた最もねじ山の高さが高いねじ山を第３のねじ山とすると；前記第３のねじ山の高さに対して、前記第１のねじ山の高さは７５％以上であり、前記第２のねじ山の高さは９０％以上である。この形態の金具によれば、金具が取り付けられる際に、ガスケットの傾きを抑制できる。

（２）上記形態の金具において、前記第１のねじ山の高さが、前記第３のねじ山の高さに対して９４％以下であるとしてもよい。この形態の金具によれば、第１のねじ山の高さが第３のねじ山の高さに対して１００％の場合と比べて、第１のねじ山の高さが低いため、ガスケットの自由度が増す。このため、金具が取り付けられる際に、ガスケットを良好に回転させることができ、取り付け作業を円滑に遂行できる。

（３）上記形態の金具において、前記第１のねじ山の高さが、前記第３のねじ山の高さに対して８５％以上であるとしてもよい。この形態の金具によれば、金具が取り付けられる際のガスケットの傾きをより抑制できる。

（４）上記形態の金具において、前記第１のねじ山の高さが、前記第３のねじ山の高さに対して８５％以上８７％以下であるとしてもよい。この形態の金具によれば、ねじ山を製造する際に発生する繊維状の金属片の発生を抑制できる。

（５）本発明の他の形態によれば、スパークプラグが提供される。スパークプラグは、上記形態の金具を備える。この形態のスパークプラグによれば、スパークプラグが取り付けられる際のガスケットの傾きを抑制できる。

（６）本発明の他の形態によれば、センサが提供される。センサは、上記形態の金具を備える。この形態のセンサによれば、センサが取り付けられる際のガスケットの傾きを抑制できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、金具の製造方法、金具が取り付けられる点火システム等の態様で実現することができる。

スパークプラグ１０の部分断面を示す説明図。 ねじ山３３０を示す模式図。 試作品におけるねじ山の高さとガスケット５００の傾きなどとの関係を評価した結果を示す表。 比較例としての従来品と本発明の実施例としての試作品を示す図。

Ａ．実施形態：
Ａ−１．スパークプラグの構成：
図１は、スパークプラグ１０の部分断面を示す説明図である。図１には、スパークプラグ１０の軸心である軸線ＣＡ１を境界として、紙面右側にスパークプラグ１０の外観形状を図示し、紙面左側にスパークプラグ１０の断面形状を図示した。なお、本図において、技術の理解を容易にするために、中心電極１００と接地電極４００は、断面形状ではなく外観形状で図示する。本実施形態の説明では、スパークプラグ１０における図１の紙面下側を「先端側」といい、図１の紙面上側を「後端側」という。本実施形態における「主体金具３００」が、課題を解決するための手段における「金具」に相当する。

スパークプラグ１０は、中心電極１００と、絶縁体２００と、主体金具３００と、接地電極４００とを備える。本実施形態では、スパークプラグ１０の軸線ＣＡ１は、中心電極１００、絶縁体２００および主体金具３００の各部材における軸心でもある。

スパークプラグ１０は、中心電極１００と接地電極４００との間に形成された間隙ＳＧを先端側に有する。スパークプラグ１０の間隙ＳＧは、火花ギャップとも呼ばれる。スパークプラグ１０は、間隙ＳＧが形成された先端側を燃焼室９２０の内壁９１０から突出させた状態で内燃機関９０に取り付け可能に構成されている。スパークプラグ１０を内燃機関９０に取り付けた状態で例えば２万〜３万ボルトの高電圧を中心電極１００に印加した場合、間隙ＳＧに火花放電が発生する。間隙ＳＧに発生した火花放電は、燃焼室９２０における混合気に対する着火を実現する。

図１には、相互に直交するＸＹＺ軸を図示した。図１のＸＹＺ軸は、後述する他の図におけるＸＹＺ軸に対応する。

図１のＸＹＺ軸のうち、Ｚ軸は、軸線ＣＡ１に沿った軸である。Ｚ軸に沿ったＺ軸方向（軸線方向）のうち、＋Ｚ軸方向は、スパークプラグ１０の後端側から先端側に向かう方向であり、−Ｚ軸方向は、＋Ｚ軸方向の逆方向である。＋Ｚ軸方向は、中心電極１００が絶縁体２００と共に軸線ＣＡ１に沿って主体金具３００の先端側から突出する方向である。

図１のＸＹＺ軸のうち、Ｙ軸は、接地電極４００が軸線ＣＡ１に向けて屈曲する方向に沿った軸である。Ｙ軸に沿ったＹ軸方向のうち、−Ｙ軸方向は、接地電極４００が軸線ＣＡ１に向けて屈曲する方向であり、＋Ｙ軸方向は、−Ｙ軸方向の逆方向である。

図１のＸＹＺ軸のうち、Ｘ軸は、Ｙ軸およびＺ軸に直交する軸である。Ｘ軸に沿ったＸ軸方向のうち、＋Ｘ軸方向は、図１の紙面奥から紙面手前に向かう方向であり、−Ｘ軸方向は、＋Ｘ軸方向の逆方向である。

スパークプラグ１０の中心電極１００は、導電性を有する部材である。中心電極１００は、軸線ＣＡ１を中心に延びた棒状を成す。本実施形態では、中心電極１００は、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするニッケル合金（例えば、インコネル（登録商標）６００）から成る。中心電極１００の外側面は、絶縁体２００によって外部から電気的に絶縁される。中心電極１００の先端側は、絶縁体２００の先端側から突出する。中心電極１００の後端側は、絶縁体２００の後端側へと電気的に接続される。本実施形態では、中心電極１００の後端側は、シール体１６０と、セラミック抵抗１７０と、シール体１８０と、端子金具１９０とを介して、絶縁体２００の後端側へと電気的に接続される。

スパークプラグ１０の接地電極４００は、導電性を有する部材である。接地電極４００は、主体金具３００から軸線ＣＡ１に対して平行に一旦延びた後に軸線ＣＡ１に向けて屈曲した形状を成す。接地電極４００の基端部は、主体金具３００に溶接されている。接地電極４００の先端部は、中心電極１００との間に間隙ＳＧを形成する。本実施形態では、接地電極４００は、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするニッケル合金（例えば、インコネル（登録商標）６００又は６０１）から成る。

スパークプラグ１０の絶縁体２００は、電気絶縁性を有する碍子である。絶縁体２００は、軸線ＣＡ１を中心に延びた筒状を成す。本実施形態では、絶縁体２００は、絶縁性セラミックス材料（例えば、アルミナ）を焼成することによって作製される。

絶縁体２００は、軸線ＣＡ１を中心に延びた貫通孔である軸孔２９０を有する。絶縁体２００の軸孔２９０には、絶縁体２００の先端側（＋Ｚ軸方向側）から突出させた状態で中心電極１００が軸線ＣＡ１上に保持される。

スパークプラグ１０の主体金具３００は、導電性を有する金属体である。主体金具３００は、軸線ＣＡ１を中心に延びた筒状を成す。本実施形態では、主体金具３００は、筒状に成形された低炭素鋼にニッケルめっきを施した部材である。他の実施形態では、主体金具３００は、亜鉛めっきを施した部材であっても良いし、めっきを施していない部材（無めっき）であっても良く、更に、亜鉛めっきにクロメート処理を施した部材であってもよい。

主体金具３００は、中心電極１００から電気的に絶縁された状態で絶縁体２００の外側面に加締めによって固定される。主体金具３００は、先端側から後端側へと延びた胴部３２０と、胴部３２０の側壁に、先端側から後端側へとらせん状に延びたねじ山３３０と、胴部３２０の後端側に配置されるガスケット５００とを備える。さらに、主体金具３００は、端面３１０と、鍔部３４０と、溝部３５０と、工具係合部３６０と、加締め蓋３８０とを備える。

主体金具３００の端面３１０は、主体金具３００の先端側（＋Ｚ軸方向側）を構成する面である。本実施形態では、端面３１０は、Ｘ軸およびＹ軸に沿った平面であって、＋Ｚ軸方向を向いた平面である。本実施形態では、端面３１０は、中空円状の平面である。端面３１０には、接地電極４００が溶接される。端面３１０の中央からは、中心電極１００と共に絶縁体２００が＋Ｚ軸方向に向けて突出する。

主体金具３００の鍔部３４０は、溝部３５０よりも外周方向に張り出した鍔状の部位である。スパークプラグ１０を内燃機関９０に取り付けた状態で、鍔部３４０と内燃機関９０との間にはガスケット５００が圧縮される。なお、鍔部３４０の先端側（＋Ｚ軸方向側）を構成する面を端面３４５とする。端面３４５は、ガスケット５００と接する面である。

ガスケット５００は、ステンレス鋼又は低炭素鋼から形成された環状の部材である。ガスケット５００は、スパークプラグ１０を内燃機関に取り付けた状態における気密性を確保するために設けられている。

主体金具３００の溝部３５０は、加締めによって主体金具３００を絶縁体２００に固定する際に外周方向に膨出した円筒状の部位である。溝部３５０は、鍔部３４０と工具係合部３６０との間に位置する。

主体金具３００の工具係合部３６０は、溝部３５０よりも外周方向へ多角形状に張り出した鍔状の部位である。工具係合部３６０は、スパークプラグ１０を内燃機関９０に取り付けるための工具（図示しない）に係合する形状を成す。本実施形態では、工具係合部３６０の外形は、六角形状である。

主体金具３００の加締め蓋３８０は、主体金具３００の後端側を絶縁体２００に向けて屈曲した部位である。加締め蓋３８０は、加締めによって主体金具３００を絶縁体２００に固定する際に成形される。

主体金具３００の胴部３２０は、ねじ山が外側面に形成されている円筒状の部位である。本実施形態では、胴部３２０のねじ山３３０を内燃機関９０のねじ孔９３０に螺合させることによって、スパークプラグ１０を内燃機関９０に取り付けることが可能である。本実施形態では、胴部３２０の呼び径は、Ｍ１０である。他の実施形態では、胴部３２０の呼び径は、Ｍ１０より小さくても良いし（例えば、Ｍ８）、Ｍ１０より大きくても良い（例えば、Ｍ１２、Ｍ１４、Ｍ１８）。ねじ山３３０は、転造が実行されることにより形成される。ねじ山の高さは、転造の際の時間や荷重、主体金具３００の素材の硬さなどを調整することにより制御できる。

図２は、ねじ山３３０を示す模式図である。紙面左側が工具係合部３６０側（後端側）であり、紙面右側が端面３１０側（先端側）である。最も後端側のねじ山を第１のねじ山３３２とし、第１のねじ山３３２より１ねじピッチｐ分、先端側のねじ山を第２のねじ山３３４とする。なお、第１のねじ山より後端側の突起部分を便宜的に第０のねじ山３３１と呼ぶ。ねじピッチとは、隣り合うねじ山同士の距離をいう。本実施形態において、胴部３２０の呼び径はＭ１０であるため、１ねじピッチｐは１ｍｍである。なお、呼び径がＭ８である場合の１ねじピッチｐは１ｍｍであり、呼び径がＭ１２やＭ１４である場合の１ねじピッチｐは１．２５ｍｍであり、呼び径がＭ１８である場合の１ねじピッチｐは１．５ｍｍである。

ねじ山の高さは、軸線ＣＡ１に垂直な方向における谷底から山頂までの距離とする。換言すると、ねじ山の高さは、ねじ外径からねじ谷径を引いたものの半分の値である。なお、ねじ谷径は一定である。

ねじ山の高さは、鍔部３４０の端面３４５（図１参照）である長さ寸法基準位置ｓから、１ねじピッチｐ＋１ｍｍの位置にねじ谷がくる位相の断面で評価される。図２において、第１のねじ山３３２の高さは高さｈ１であり、第２のねじ山３３４の高さは高さｈ２である。

ねじ山３３０の中で、第１のねじ山３３２と第２のねじ山３３４を除いた最もねじ山の高さが高いねじ山を第３のねじ山３３６とする。図２のように、第３のねじ山３３６の山頂は、凹凸形状ではなく、頂点が一つに定まる。第３のねじ山３３６の高さは高さｈ３である。

本発明者らは、第３のねじ山３３６の高さｈ３に対して、第１のねじ山３３２の高さｈ１が７５％以上であり、第２のねじ山３３４の高さｈ２が９０％以上である場合、主体金具３００を内燃機関９０のねじ孔９３０に螺合させた場合に、ガスケット５００の傾きを抑制できることを発見した。つまり、第３のねじ山３３６の高さｈ３に対して、第１のねじ山３３２の高さｈ１が７５％以上であり、かつ、第３のねじ山３３６の高さｈ３に対して、第２のねじ山３３４の高さｈ２が９０％以上であるため、ガスケット５００が傾いていない状態から、鍔部３４０の端面３４５と第２のねじ山３３４との間に存在するガスケット５００が傾き始めたときに、第１のねじ山３３２及び第２のねじ山３３４の存在によって傾きが制限されるため、第２のねじ山３３４よりも先端側へ傾くことを抑制できる。

また、第３のねじ山３３６の高さｈ３に対して、第１のねじ山３３２の高さｈ１が９４％以下である場合、第１のねじ山３３２の高さｈ１が１００％の場合と比べて、第１のねじ山３３２の高さｈ１が低いため、ガスケット５００の自由度が増す。転造前において、転造によって第０のねじ山３３１になる部分と転造によって第１のねじ山３３２になる部分の間にある主体金具３００の金属が、転造によって移動し、第０のねじ山３３１と第１のねじ山３３２を形成する。第１のねじ山３３２が適度な高さとなるため、言い換えれば、転造前において、転造によって第０のねじ山３３１になる部分と転造によって第１のねじ山３３２になる部分の間にある主体金具３００の金属が第１のねじ山３３２が適度な高さとなる程度にしか存在しないため、第０のねじ山３３１も適度な高さとなる。つまり、第１のねじ山３３２の高さｈ１が適度な高さとなる結果、第０のねじ山３３１の厚み（図２における紙面の横幅）が太くなりすぎず、ガスケットが適度に移動可能となるため、ガスケット５００の自由度が増すと考えられる。このため、主体金具３００を内燃機関９０のねじ孔９３０に螺合させた場合に、ガスケット５００を良好に回転させることができ、取り付け作業を円滑に遂行できることを発明者らは発見した。

第３のねじ山３３６の高さｈ３に対して、第１のねじ山３３２の高さｈ１が８５％以上である場合、主体金具３００を内燃機関９０のねじ孔９３０に螺合させた場合に、ガスケット５００の傾きをより抑制できることを発明者らは発見した。

また、第３のねじ山３３６の高さｈ３に対して、第１のねじ山３３２の高さｈ１が８５％以上８７％以下である場合、ねじ山を製造する際に発生する繊維状の金属片の発生を抑制できることを発明者らは発見した。なお、繊維状の金属片の発生メカニズムとして、転造時において、第０のねじ山３３１が生じる部分と第１のねじ山３３２が生じる部分との間に力がかかる結果、第０のねじ山３３１と第１のねじ山３３２が形成されるところ、この力に偏りがある場合に繊維状の金属片が発生すると考えられる。つまり、第３のねじ山３３６の高さｈ３に対して、第１のねじ山３３２の高さｈ１が８５％以上８７％以下に制御することにより、転造時の力の偏りが抑制される結果、繊維状の金属片の発生を抑制できると考えられる。その結果、主体金具３００を内燃機関９０のねじ孔９３０に螺合させた場合の気密性の低下を抑制できる。

Ａ−２．主体金具３００の評価：
図３は、試作品におけるねじ山の高さとガスケット５００の傾きなどとの関係を評価した結果を示す表である。（ｉ）第１のねじ山３３２の高さｈ１（「第１山高さ」と図示）と、（ｉｉ）第２のねじ山３３４の高さｈ２（「第２山高さ」と図示）と、（ｉｉｉ）主体金具３００が取り付けられた場合におけるガスケット５００の傾き（「傾き」と図示）と、（ｉｖ）ガスケット５００の自由度（「自由度」と図示）と、（ｖ）金属片の発生（「金属片」と図示）との関係を図３は示す。なお、第１のねじ山３３２の高さｈ１および第２のねじ山３３４の高さｈ２は、高さ別にクラス分けを行なった結果を示す。

主体金具３００が取り付けられた場合におけるガスケット５００の傾きは、以下のように評価した。ガスケット５００を主体金具３００に取り付けた場合に、ガスケット５００の一部が第２のねじ山３３４まで傾いた場合は「×」とし、ガスケット５００の一部が第１のねじ山３３２まで傾いた場合は「○」とし、ガスケット５００が傾かない場合は「◎」とした。ガスケット５００の一部が傾いた場合、主体金具３００が取り付けられた際に気密性を低下させる虞がある。このため、ガスケット５００は傾かないほうが好ましい。

主体金具３００が取り付けられた場合におけるガスケット５００の自由度は、１０本の主体金具３００を用いて、以下のように評価した。主体金具３００を一本ずつ内燃機関９０のねじ孔９３０に螺合させた際に、１０本中の１０本においてトルク変動が起こる場合を「×」とし、１０本中の１本から９本においてトルク変動が起こる場合を「△」とし、１０本中の１０本においてトルク変動が起こらない場合を「○」とした。トルク変動が起こらないということは、ガスケット５００を良好に回転させることができ、取り付け作業を円滑に遂行できることを意味する。

金属片とは、ねじ山を製造する際に発生する繊維状の金属片を意味する。金属片の発生の項目の値は、金属片の長さ（ｍｍ）を示す。なお、試験数は１とした。この値が小さいほど、金属片の発生が抑制される。この結果、主体金具３００を内燃機関９０のねじ孔９３０に螺合させた場合の気密性低下を抑制できる。

図４は、比較例としての従来品と、本発明の実施例としての試作品を示す図である。比較例は、図３の一番上の結果aを示す図であり、実施例は、図３における下から６番目の結果ｂを示す図である。図４に示すとおり、第１のねじ山３３２の高さｈ１と第２のねじ山３３４の高さｈ２とに違いがあることがわかる。

図３の結果から、以下のことがわかる。第１のねじ山３３２の高さｈ１が高いほど、ガスケット５００の傾きが小さいことがわかる。一方、第１のねじ山３３２の高さｈ１が低いほど、ガスケット５００の自由度が大きくなることがわかる。また、金属片の発生は、第３のねじ山３３６の高さｈ３に対して、第１のねじ山３３２の高さｈ１が、８５％以上８７％以下の場合に抑制できることがわかる。

Ｂ．他の実施形態：
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

上述の実施形態において、金具として主体金具３００の形態を説明した。しかし、本発明はこれに限られない。金具としては、例えば、センサの主体金具でもよく、螺子やボルトでもよい。なお、センサの主体金具としては、例えば、特開２０１４−５２２５４号公報を参照できる。また、金具の胴部は、主体金具３００のような中心に空洞がある円筒状でもよく、中心に空洞のない円柱上でもよい。

１０…スパークプラグ
９０…内燃機関
１００…中心電極
１６０…シール体
１７０…セラミック抵抗
１８０…シール体
１９０…端子金具
２００…絶縁体
２９０…軸孔
３００…主体金具
３１０…端面
３２０…胴部
３３０…ねじ山
３３１…第０のねじ山
３３２…第１のねじ山
３３４…第２のねじ山
３３６…第３のねじ山
３４０…鍔部
３４５…端面
３５０…溝部
３６０…工具係合部
３８０…加締め蓋
４００…接地電極
５００…ガスケット
９１０…内壁
９２０…燃焼室
９３０…孔
ｐ…ねじピッチ
ｓ…寸法基準位置
a…結果
ｂ…結果
ＳＧ…間隙
ＣＡ１…軸線

Claims (6)

1. 先端側から後端側へと延びた胴部と、
   前記胴部の側壁に、前記先端側から前記後端側へと螺旋状に延びたねじ山と、
   前記胴部の後端側に配置されるガスケットと、を備える金具であって、
   最も後端側のねじ山を第１のねじ山とし、
   前記第１のねじ山より１ねじピッチ分、先端側のねじ山を第２のねじ山とし、
   前記ねじ山の中で前記第１のねじ山と前記第２のねじ山を除いた最もねじ山の高さが高いねじ山を第３のねじ山とすると、
   前記第３のねじ山の高さに対して、
   前記第１のねじ山の高さは７５％以上であり、
   前記第２のねじ山の高さは９０％以上である、金具。
2. 請求項１に記載の金具であって、
   前記第１のねじ山の高さが、前記第３のねじ山の高さに対して９４％以下である、金具。
3. 請求項１または請求項２に記載の金具であって、
   前記第１のねじ山の高さが、前記第３のねじ山の高さに対して８５％以上である、金具。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の金具であって、
   前記第１のねじ山の高さが、前記第３のねじ山の高さに対して８５％以上８７％以下である、金具。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の金具を備えるスパークプラグ。
6. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の金具を備えるセンサ。

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