JP2016207585A - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】電極の消耗を抑制する技術を提供する。
【解決手段】スパークプラグは、軸線の方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、前記軸孔の一端側で保持される中心電極と、前記軸孔の他端側で保持される端子金具と、前記軸孔内で前記中心電極と前記端子金具とを電気的に接続する電気的接続部と、外周の少なくとも一部に螺子部を備えるとともに前記絶縁体の外周に配置され、前記絶縁体の少なくとも一部を収容する主体金具と、を備え、前記電気的接続部は、抵抗体と、前記抵抗体と前記中心電極との間に配置され前記絶縁体と前記中心電極とを封着固定する導電性のシール層と、を有するスパークプラグであって、前記軸線の方向において、前記シール層が形成されている範囲のうち、半分以上の範囲が所定の条件を満たすことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、スパークプラグに関する。

近年、自動車エンジンにおいては、高出力化や燃費向上のため、燃焼時におけるエンジン内の圧力が高くなる傾向にある。この結果として、点火時に、エンジン内に設けられたスパークプラグの要求電圧が高まる傾向にある。点火時におけるスパークプラグの要求電圧が高まるほど、スパークプラグの電極の消耗は加速するため、スパークプラグの電極の消耗を抑制する技術が望まれていた。

従来、スパークプラグの電極の消耗を抑制する技術として、中心電極および接地電極のそれぞれの対向面に貴金属チップを設ける技術が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００８−７７８３８号公報

しかし、スパークプラグの要求電圧によっては、貴金属チップ自体が溶解してしまう場合がある。このため、電極の素材によらずに、電極の消耗を抑制できる技術が望まれていた。

本発明は、上記の課題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、スパークプラグが提供される。スパークプラグは、軸線の方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、前記軸孔の一端側で保持される中心電極と、前記軸孔の他端側で保持される端子金具と、前記軸孔内で前記中心電極と前記端子金具とを電気的に接続する電気的接続部と、外周の少なくとも一部に螺子部を備えるとともに前記絶縁体の外周に配置され、前記絶縁体の少なくとも一部を収容する主体金具と、を備え、前記電気的接続部は、抵抗体と、前記抵抗体と前記中心電極との間に配置され前記絶縁体と前記中心電極とを封着固定する導電性のシール層と、を有するスパークプラグであって、前記軸線の方向において、前記シール層が形成されている範囲のうち、半分以上の範囲が以下の条件を満たすことを特徴とする。
Ｍ１４の場合、ａ／（ａ＋ｂ）×１００≧８．２、ａ＋ｂ≧２．８０
Ｍ１２の場合、ａ／（ａ＋ｂ）×１００≧８．３、ａ＋ｂ≧１．８０
Ｍ１０の場合、ａ／（ａ＋ｂ）×１００≧８．６、ａ＋ｂ≧１．７５
（ただし、Ｍは、前記螺子部の呼び径を示し、ａは、前記絶縁体と前記主体金具との間の距離を示し、ｂは、前記絶縁体の厚みを示す）。
この形態のスパークプラグによれば、範囲Ｌにおける静電容量を下げることができる。この結果として、中心電極および接地電極の消耗を抑制することができる。

（２）上記形態のスパークプラグにおいて、さらに、以下の条件を満たしてもよい。
Ｍ１４の場合、ａ＋ｂ≧２．９５
Ｍ１２の場合、ａ＋ｂ≧１．９５
Ｍ１０の場合、ａ＋ｂ≧１．９０
この形態のスパークプラグによれば、中心電極および接地電極の消耗をより抑制することができる。

（３）上記形態のスパークプラグにおいて、前記シール層が形成されている範囲のすべてにおいて、前記条件を満たしてもよい。
この形態のスパークプラグによれば、中心電極および接地電極の消耗をより抑制することができる。

（４）上記形態のスパークプラグにおいて、前記螺子部の呼び径が、Ｍ１０またはＭ１２としてもよい。
この形態のスパークプラグによれば、中心電極および接地電極の消耗をより抑制することができる。

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、スパークプラグの製造方法等の態様で実現することができる。

スパークプラグ１００を示す部分断面図。 スパークプラグ１００の一部を拡大して示す拡大断面図。 ａおよびｂと低減率との関係を示す図。 空間層割合と低減率（％）との関係を示す図。 範囲Ｌのうちの範囲Ｌ１の割合と低減率（％）との関係を示す図。 ａおよびｂと低減率（％）との関係を示す図。 スパークプラグ１００の等価回路を示す図。 ａとｂとを調整する他の形態を示す図。

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１００を示す部分断面図である。図１には、スパークプラグ１００の軸心である軸線Ｏ−Ｏを境界として、一方にスパークプラグ１００の外観形状を図示し、他方にスパークプラグ１００の断面形状を図示する。スパークプラグ１００は、軸線Ｏ−Ｏの方向に延びる軸孔２８を有する絶縁体２０と、軸孔２８の一端側で保持される中心電極１０と、軸孔２８の他端側で保持される端子金具１９と、軸孔２８内で中心電極１０と端子金具１９とを電気的に接続する電気的接続部１５と、絶縁体２０の外周に配置され、絶縁体２０の少なくとも一部を収容する主体金具３０とを備える。本実施形態では、スパークプラグ１００の軸線Ｏ−Ｏは、中心電極１０、絶縁体２０、主体金具３０の各部材の軸心でもある。

スパークプラグ１００において、中心電極１０は、絶縁体２０によって電気的に絶縁されている。絶縁体２０の外周には、中心電極１０から電気的に絶縁された状態で主体金具３０が加締めによって固定されている。主体金具３０には接地電極４０が電気的に接続され、中心電極１０と接地電極４０との間には、火花を発生させる隙間である火花ギャップが形成されている。スパークプラグ１００は、内燃機関（図示しない）のエンジンヘッド２００に形成された取付ネジ孔２１０に主体金具３０を螺合させた状態で取り付けられ、２万〜３万ボルトの高電圧が中心電極１０に印加されると、中心電極１０と接地電極４０との間に形成された火花ギャップに火花が発生する。

スパークプラグ１００の中心電極１０は、有底筒状に成形された電極母材１２の内部に、電極母材１２よりも熱伝導性に優れる芯材１４を埋設した棒状の電極である。本実施形態では、中心電極１０は、電極母材１２の先端が絶縁体２０の一端から突出する状態で絶縁体２０に固定されると共に、電気的接続部１５を介して端子金具１９と電気的に接続されている。本実施形態では、中心電極１０の電極母材１２は、インコネル（登録商標）を始めとするニッケルを主成分とするニッケル合金から形成されており、中心電極１０の芯材１４は、銅または銅を主成分とする合金から形成されている。

電気的接続部１５は、中心電極１０側から順に、第１シール層１６と、抵抗体１７と、第２シール層１８とを備える。第１シール層１６は、絶縁体２０と中心電極１０とを封着固定する部材であり、第２シール層１８は、絶縁体２０と端子金具１９とを封着固定する部材である。本実施形態では、抵抗体１７は、「セラミック抵抗」とも呼ばれ、主に導電性材料と、ガラス粒子と、ガラス粒子以外のセラミック粒子により構成されている。第１シール層１６および第２シール層１８は、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｆｅ等の金属成分の１種又は２種以上を主体とする金属粉末を混合したガラスにより構成されている。なお、第１シール層１６および第２シール層１８には、必要に応じてＴｉＯ_２などの半導体性の無機化合物粉末を適量配合してもよい。ここで、第１シール層１６が本発明における導電性のシール層に該当する。

スパークプラグ１００の絶縁体２０は、アルミナを始めとする絶縁性セラミックス材料を焼成して形成される。絶縁体２０は、中心電極１０を収容する軸孔２８を有する筒状体であり、中心電極１０が突出する側から軸線Ｏ−Ｏに沿って順に、脚長部２２と、第１碍子胴部２４と、碍子鍔部２５と、第２碍子胴部２６とを備える。絶縁体２０の脚長部２２は、中心電極１０が突出する側に向けて外径が小さくなる筒状の部位である。絶縁体２０の第１碍子胴部２４は、脚長部２２よりも大きな外径を有する筒状の部位である。絶縁体２０の碍子鍔部２５は、第１碍子胴部２４よりも更に大きな外径を有する筒状の部位である。絶縁体２０の第２碍子胴部２６は、碍子鍔部２５よりも小さな外径を有する筒状の部位であり、主体金具３０と端子金具１９との間に十分な絶縁距離を確保する。

スパークプラグ１００の主体金具３０は、本実施形態では、ニッケルメッキされた低炭素鋼製の部材であるが、他の実施形態において、亜鉛メッキされた低炭素鋼製の部材であっても良く、無メッキのニッケル合金製の部材であっても良い。主体金具３０は、中心電極１０が突出する側から軸線Ｏ−Ｏに沿って順に、端面３１と、螺子部３２と、胴部３４と、溝部３５と、工具係合部３６と、カシメ部３８とを備える。

主体金具３０の端面３１は、螺子部３２の先端に形成された中空円状の面であり、端面３１には、接地電極４０が接合され、端面３１の中央からは、絶縁体２０の脚長部２２に包まれた中心電極１０が突出する。主体金具３０の螺子部３２は、主体金具３０の外周の一部であり、エンジンヘッド２００の取付ネジ孔２１０に螺合する螺子溝が設けられた部位である。主体金具３０の胴部３４は、溝部３５に隣接して設けられ、溝部３５よりも外周方向に張り出した鍔状部である。

主体金具３０の溝部３５は、胴部３４と工具係合部３６との間に形成され、主体金具３０を絶縁体２０に加締める際に、圧縮加工により外周方向および内周方向に膨出した部位である。主体金具３０の工具係合部３６は、溝部３５に隣接して設けられ、溝部３５よりも外周方向に張り出した鍔状部であり、スパークプラグ１００をエンジンヘッド２００に取り付けるための工具（図示しない）に係合する多角形状に成形されている。本実施形態では、工具係合部３６は六角形状であるが、他の実施形態において、四角形や八角形など他の多角形であっても良い。主体金具３０のカシメ部３８は、工具係合部３６に隣接して設けられ、主体金具３０を絶縁体２０に加締める際に、絶縁体２０の第２碍子胴部２６に密着するように塑性加工された部位である。主体金具３０のカシメ部３８と、絶縁体２０の碍子鍔部２５との間の領域には、粉末のタルク（滑石）を充填した充填部６３が形成され、充填部６３は、パッキン６２，６４で封止されている。

スパークプラグ１００の接地電極４０は、溶接によって主体金具３０に接合され、中心電極１０の軸線Ｏ−Ｏに交差する方向に屈曲して中心電極１０の先端に対向する電極である。本実施形態では、接地電極４０は、インコネル（登録商標）を始めとするニッケルを主成分とするニッケル合金から形成されている。

図２は、スパークプラグ１００の一部を拡大して示す拡大断面図である。図２に示す主体金具３０の断面は、軸線Ｏ−Ｏを通る断面、すなわち軸線Ｏ−Ｏを含む断面であり、図２は第１シール層１６、絶縁体２０、主体金具３０を拡大して示す。絶縁体２０と主体金具３０との間には空間が存在する。この空間には、空気が存在し、この空間を空間層８０と呼ぶ。図２において、「ａ」は、絶縁体２０と主体金具３０との間の空間層８０の厚み、すなわち、絶縁体２０と主体金具３０との間の距離（ｍｍ）を示し、「ｂ」は、絶縁体２０の厚み（ｍｍ）を示す。厚みとは、軸線Ｏ−Ｏに垂直な方向における寸法を言う。範囲Ｌは、軸線Ｏ−Ｏの方向における第１シール層１６が形成されている範囲を示し、範囲Ｌ１は、範囲Ｌのうち、以下の条件（数式（１）から数式（３））を満たす範囲を示す。なお、「Ｍ」は、螺子部３２の呼び径（「ネジ径」とも呼ぶ）を示す。以下において、「ａ／（ａ＋ｂ）×１００」を「空間層割合」とも呼び、「ａ＋ｂ」を「電極間距離」とも呼ぶ。

Ｍ＝１４ｍｍの場合、ａ／（ａ＋ｂ）×１００≧８．２、ａ＋ｂ≧２．８０ （１）
Ｍ＝１２ｍｍの場合、ａ／（ａ＋ｂ）×１００≧８．３、ａ＋ｂ≧１．８０ （２）
Ｍ＝１０ｍｍの場合、ａ／（ａ＋ｂ）×１００≧８．６、ａ＋ｂ≧１．７５ （３）

本実施形態において、範囲Ｌのうち、範囲Ｌ１が半分以上を占める。このようにすることにより、詳細な推定メカニズムは後述するが、範囲Ｌにおける静電容量を下げることができる。この結果、スパークプラグ１００の容量エネルギーを低減することができるため、中心電極１０および接地電極４０の素材によらずに、中心電極１０および接地電極４０の消耗を抑制することができる。以下に、この効果を証明する実験結果を示す。

Ａ−２．実験結果：
図３は、ａおよびｂと低減率との関係を示す図である。まず、ネジ径が異なる主体金具を複数用意した後、絶縁体２０の外周を削ることにより、ａとｂとを異ならせたスパークプラグを作成し、以下の条件において実験を行った。範囲Ｌ１は、範囲Ｌの半分を占める構成とし、図２のようにａとｂとは、それぞれ一定の値となるように作成した。測定条件としては、大気雰囲気下で圧力を２．６Ｍｐａとし、１秒間に１００回（１００Ｈｚ）の点火を５時間行った。スパークプラグを軸線Ｏ−Ｏに沿って切断した後、ａとｂの値を、軸線Ｏ−Ｏ中心の左右それぞれについて計測し、その平均値をそれぞれ図３に示した。「低減率（％）」は、従来品に対する電極の消耗の低減率を示し、以下の数式（４）により算出される。

{１−（試作品の電極間のギャップ増加量／従来品の電極間のギャップ増加量）}×１００ （４）

実験後の電極間のギャップ増加量が小さいほど、電極の消耗が抑制されていると言え、低減率（％）が大きいほど、従来品に対して電極の消耗が少ないと言える。また、「判定」の欄は、以下の基準により、「◎○△」を付した。なお、「判定」の欄が「‐」のスパークプラグは、従来品であり、比較対象であることを示す。

低減率が５％未満の場合 ：△
低減率が５％以上１０％未満の場合 ：○
低減率が１０％以上の場合 ：◎

図３の結果から、上記数式（１）から（３）を満たすことにより、低減率が増加しており、電極の消耗が抑制されていることがわかる。具体的には、図３の結果から、上記数式（１）から（３）を満たすスパークプラグであるサンプル４〜９、１２〜１７、２０〜２４は、低減率が５％以上であったことが分かる。

図４は、空間層割合（ａ／（ａ＋ｂ）×１００）と低減率（％）との関係を示す図である。図４において、空間層割合（ａ／（ａ＋ｂ）×１００）を横軸とし、低減率（％）を縦軸とする。図４において、ネジ径Ｍが１０ｍｍのデータを「▲」で示し、ネジ径Ｍが１２ｍｍのデータを「■」で示し、ネジ径Ｍが１４ｍｍのデータを「◆」で示す。

図４の結果から、ネジ径により多少の差は有るが、電極間距離（ａ＋ｂ）に対して空間層の厚みａの割合が増加するほど、低減率が増加しており、電極の消耗が抑制されていることが分かる。特に、ネジ径が小さいほど、空間層の厚みａの割合が低減率に寄与することが分かる。つまり、Ｍが１０ｍｍまたは１２ｍｍである場合に、低減率がより向上することが分かる。なお、スパークプラグの強度を確保する観点から、ａ／（ａ＋ｂ）は０．５未満が好ましい。

図５は、範囲Ｌのうちの範囲Ｌ１の割合（Ｌ１／Ｌ）と低減率（％）との関係を示す図である。ａとｂとの値は、図３のサンプルｓ（サンプル４））と同じとした。その上で、サンプルの範囲Ｌのうちの範囲Ｌ１の割合（Ｌ１／Ｌ）を調整した。図５（Ａ）は、さらに、判定項目を設け、範囲Ｌのうちの範囲Ｌ１の割合（Ｌ１／Ｌ）と低減率（％）との関係を示す。図５（Ｂ）は、横軸を範囲Ｌのうちの範囲Ｌ１の割合（Ｌ１／Ｌ）とし、縦軸を低減率（％）として示す。

図５の結果から、Ｌ１／Ｌが０．５以上、つまり、範囲Ｌのうち範囲Ｌ１が半分以上を占める場合（サンプル３３〜３６）に、低減率が５％以上となることが分かる。また、図５（Ｂ）から分かるように、Ｌ１／Ｌが０．４から０．６において、低減率が急激に変化することが分かる。低減率を向上させる観点から、Ｌ１／Ｌは、０．５以上であり、０．６以上が好ましく、１（Ｌ＝Ｌ１）が最も好ましい。

図６は、空間層割合（ａ／（ａ＋ｂ）×１００）を変化させずに、ａとｂとを変化させた場合における、ａおよびｂと低減率（％）との関係を示す図である。空間層割合（ａ／（ａ＋ｂ）×１００）の値は、Ｍ＝１４ｍｍの場合は図３のサンプルｓ（サンプル４））と同じとし、Ｍ＝１２ｍｍの場合は図３のサンプルｔ（サンプル１２））と同じとし、Ｍ＝１０ｍｍの場合は図３のサンプルｕ（サンプル２０））と同じとした。その上で、サンプルのａとｂとを調整した。

図６の結果から、以下の条件（数式（５）から数式（７））を満たすときに、低減率（％）がさらに向上することが分かった。

Ｍ＝１４ｍｍの場合、ａ＋ｂ≧２．９５ （５）
Ｍ＝１２ｍｍの場合、ａ＋ｂ≧１．９５ （６）
Ｍ＝１０ｍｍの場合、ａ＋ｂ≧１．９０ （７）

具体的には、図６の結果から、上記数式（５）から（７）を満たすスパークプラグであるサンプル４３〜４４、４８〜４９、５３〜５４は、低減率が１０％以上であったことが分かる。

Ａ−３．推定メカニズム：
Ｌ１／Ｌ、ａ、ｂ、Ｍを特定の範囲とすることにより、低減率（％）が向上する推定メカニズムを、以下に説明する。

図７は、スパークプラグ１００の等価回路を示す図である。スパークプラグ１００は、コンデンサーとみなすことができ、スパークプラグ１００に溜められた電荷は、放電時にギャップ間を流れる。このため、スパークプラグ１００の静電容量を抑えることにより、放電発生時のエネルギー（容量電流）が下がる。この結果として、中心電極１０および接地電極４０の消耗を抑制することができると考えられる。図７において、抵抗体１７と第１シール層１６との境界よりも中心電極１０側（図１参照）をコンデンサーＣ１で示し、抵抗体１７と第１シール層１６との境界よりも端子金具１９側をコンデンサーＣ２で示す。また、図７において、抵抗体１７の内部抵抗を抵抗Ｒと示し、中心電極１０と接地電極４０とのギャップをギャップＧと示す。

コンデンサーＣ２から流れる電流は、抵抗Ｒを流れることにより、電流値が大きく下げられる。一方、コンデンサーＣ１から流れる電流は、抵抗Ｒを経由せず電流がギャップＧ間に流れる。このため、ギャップＧ間での放電発生時の容量電流に対しては、コンデンサーＣ１から流れる電流の寄与が大きいと考えられる。従って、コンデンサーＣ１の静電容量を抑えることにより、中心電極１０および接地電極４０の消耗を抑制することができる。特に、第１シール層１６と主体金具３０との距離は短く、通常、第１シール層１６と主体金具３０との間は、絶縁体２０が占めている。このため、本実施形態では、絶縁体２０よりも誘電率が小さい空気層を設けることにより、コンデンサーＣ１の静電容量を小さくすることができ、この結果として電極の消耗を抑制できると考えられる。なお、第１シール層１６と主体金具３０との間に存在する絶縁体２０の厚みを変更しても、スパークプラグ１００の他の性能（例えば、耐熱性、耐汚損性、耐リーク性）に影響を与える割合が小さいにもかかわらず、電極の消耗を抑制できる。

Ｂ．変形例：
上記実施形態において、絶縁体２０の外周を削ることにより、ａとｂとを調整しているが、これに限られず、例えば、以下の態様としてもよい。

図８は、ａとｂとを調整する他の形態を示す図である。図８（Ａ）は、第１シール層１６と抵抗体１７との境界側の絶縁体２０の外周を削らず、絶縁体２０の外周の一部を削る形態を示す。図８（Ｂ）は、主体金具３０の内周の削る形態を示す。図８（Ｃ）は、第１シール層１６と抵抗体１７との境界側の主体金具３０の内周を削らず、主体金具３０の内周の一部を削る形態を示す。図８（Ｄ）は、主体金具３０の内周をテーパ状に削る形態を示す。なお、絶縁体２０の外周をテーパ状に削る形態としてもよい。

本発明は、上述の実施形態や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、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。

１０…中心電極
１２…電極母材
１４…芯材
１５…電気的接続部
１６…第１シール層
１７…抵抗体
１８…第２シール層
１９…端子金具
２０…絶縁体
２２…脚長部
２４…第１碍子胴部
２５…碍子鍔部
２６…第２碍子胴部
２８…軸孔
３０…主体金具
３１…端面
３２…螺子部
３４…胴部
３５…溝部
３６…工具係合部
３８…カシメ部
４０…接地電極
５０…ガスケット
６２…パッキン
６３…充填部
８０…空間層
１００…スパークプラグ
２００…エンジンヘッド
２１０…取付ネジ孔
Ｃ１…コンデンサー
Ｃ２…コンデンサー
Ｇ…ギャップ
Ｌ…範囲
Ｌ１…範囲
Ｏ−Ｏ…軸線
Ｒ…抵抗

Claims (4)

1. 軸線の方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、
   前記軸孔の一端側で保持される中心電極と、
   前記軸孔の他端側で保持される端子金具と、
   前記軸孔内で前記中心電極と前記端子金具とを電気的に接続する電気的接続部と、
   外周の少なくとも一部に螺子部を備えるとともに前記絶縁体の外周に配置され、前記絶縁体の少なくとも一部を収容する主体金具と、
   を備え、
   前記電気的接続部は、抵抗体と、前記抵抗体と前記中心電極との間に配置され前記絶縁体と前記中心電極とを封着固定する導電性のシール層と、を有するスパークプラグであって、
   前記軸線の方向において、前記シール層が形成されている範囲のうち、半分以上の範囲が以下の条件を満たすことを特徴とする、スパークプラグ。
   Ｍ１４の場合、ａ／（ａ＋ｂ）×１００≧８．２、ａ＋ｂ≧２．８０
   Ｍ１２の場合、ａ／（ａ＋ｂ）×１００≧８．３、ａ＋ｂ≧１．８０
   Ｍ１０の場合、ａ／（ａ＋ｂ）×１００≧８．６、ａ＋ｂ≧１．７５
   （ただし、Ｍは、前記螺子部の呼び径を示し、ａは、前記絶縁体と前記主体金具との間の距離を示し、ｂは、前記絶縁体の厚みを示す）
2. 請求項１に記載のスパークプラグであって、
   さらに、以下の条件を満たす、スパークプラグ。
   Ｍ１４の場合、ａ＋ｂ≧２．９５
   Ｍ１２の場合、ａ＋ｂ≧１．９５
   Ｍ１０の場合、ａ＋ｂ≧１．９０
3. 請求項１または請求項２に記載のスパークプラグであって、
   前記シール層が形成されている範囲のすべてにおいて、前記条件を満たす、スパークプラグ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
   前記螺子部の呼び径が、Ｍ１０またはＭ１２である、スパークプラグ。

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