JP2018045925A - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】チップの脱落を防止できるスパークプラグを提供すること。【解決手段】チップは底面が穴部の内側に配置され、段部に係合部が係合する。チップの底面に接触した状態で穴部の内側にろう材が配置され、ろう材に接触した状態で穴部の内側に固定部材が配置される。溶接部は固定部材と電極母材とを接合する。ろう材はチップ及び固定部材に接触し、溶接部を介して固定部材が電極母材に接合される。チップは電極母材と電気的に接続されるので、穴部の内面が酸化しても、穴部の内面とチップとの間で放電を生じないようにできる。穴部の内面を火花消耗し難くできるので、穴部からのチップの脱落を防止できる。【選択図】図２

Description

本発明はスパークプラグに関し、特にチップの脱落を防止できるスパークプラグに関するものである。

スパークプラグは、中心電極と接地電極との間の火花ギャップに放電を生じさせ、中心電極と接地電極とが曝された混合気に点火することにより火炎核を形成する。接地電極の耐火花消耗性を高めるため、貴金属を含有するチップを電極母材に固定したスパークプラグが知られている（特許文献１）。特許文献１に開示される技術では、電極母材に段部を設けた穴をあけ、チップを穴に入れて段部に突き当て、固定部材を穴に入れてチップに重ね、固定部材と電極母材とを溶接する。熱膨張率がチップの熱膨張率よりも電極母材の熱膨張率に近い固定部材を用いると、固定部材を用いないでチップを電極母材に溶接する場合に比べて、固定部材と電極母材との熱膨張率の違いによって生じる溶接部の熱応力を抑制できる。

特開昭６２−２６８０７９号公報

しかしながら上述した従来の技術では、高温のガスによって電極母材の穴の内面が酸化すると、穴の内面とチップとの間で放電が生じ易くなるので、穴の内面が火花消耗してチップとの隙間が拡大し、内燃機関の振動によって穴からチップが脱落するおそれがある。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、チップの脱落を防止できるスパークプラグを提供することを目的としている。

課題を解決するための手段および発明の効果

この目的を達成するために請求項１記載のスパークプラグによれば、中心電極に対向する接地電極を備える。接地電極は、中心電極に対向する対向面および対向面の反対側の背面を備える電極母材に、貴金属を含有するチップが支持される。電極母材は、対向面から背面にかけて貫通する穴部を有し、穴部を形成する電極母材の内周面に背面側を向く段部が形成される。チップは、中心電極に頂面が対向し、頂面の反対側の面である底面が穴部の内側に配置される。チップは段部に係合部が係合する。チップの底面に接触した状態で穴部の内側にろう材が配置され、ろう材に接触した状態で穴部の内側に固定部材が配置される。溶接部は固定部材と電極母材とを接合する。

溶接部を介して固定部材が電極母材に接合され、ろう材はチップ及び固定部材に接触する。チップは、溶接部およびろう材を介して電極母材と電気的に接続されるので、穴部の内面が酸化しても、穴部の内面とチップとの間で放電を生じ難くできる。穴部の内面を火花消耗し難くできるので、穴部からのチップの脱落を防止できる効果がある。

請求項２記載のスパークプラグによれば、溶接部は、固定部材の外周面と、穴部を形成する電極母材の内周面とを連続して接合する環状に形成されるので、ろう材が溶融しても、固定部材の外周面と電極母材の内周面との隙間からろう材が漏れ出ないようにできる。さらに、溶接部はろう材に接するので、固定部材の外周面と電極母材の内周面との隙間に、溶けたろう材を進入し難くできる。チップと固定部材との間のろう材が失われないようにできるので、チップと電極母材との電気的な接続を長期間に亘って確保できる。穴部の内面の火花消耗が経時的に増加しないようにできるので、請求項１の効果に加え、接地電極の耐久性を確保できる効果がある。

本発明の一実施の形態におけるスパークプラグの断面図である。 接地電極の断面図である。 接地電極の背面図である。 （ａ）は電極母材の断面図であり、（ｂ）は穴部にチップを挿入した電極母材の断面図であり、（ｃ）は穴部に固定部材を挿入した電極母材の断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態におけるスパークプラグ１０の軸方向の断面図である。図１に示すようにスパークプラグ１０は、主体金具１１、接地電極１２、絶縁体１５及び中心電極１７を備えている。

主体金具１１は、内燃機関のねじ穴（図示せず）に固定される略円筒状の部材である。接地電極１２は、主体金具１１の先端に接合される金属製（例えばニッケル基合金製）の電極母材１３と、電極母材１３の先端に接合されるチップ１４とを備えている。電極母材１３は屈曲した棒状の部材である。チップ１４は、白金、イリジウム、ルテニウム、ロジウム等の貴金属またはこれらを主成分とする合金によって形成される板状の部材である。

絶縁体１５は、機械的特性や高温下の絶縁性に優れるアルミナ等により形成された略円筒状の部材であり、軸孔１６が軸方向に貫通し、外周に主体金具１１が固定される。

中心電極１７は、軸孔１６に挿入されて絶縁体１５に保持される棒状の電極である。中心電極１７は、金属製（例えばニッケル基合金製）の電極母材１８の先端にチップ１９が接合されている。電極母材１８は銅等の芯材が埋め込まれている。チップ１９は、白金、イリジウム、ルテニウム、ロジウム等の貴金属またはこれらを主成分とする合金によって形成される柱状の部材である。

中心電極１７は、火花ギャップを介して接地電極１２のチップ１４と対向する。端子金具２０は、高圧ケーブル（図示せず）が接続される棒状の部材であり、先端側が絶縁体１５内に配置される。

スパークプラグ１０は、例えば、以下のような方法によって製造される。まず、電極母材１８にチップ１９が予め接合された中心電極１７を絶縁体１５の軸孔１６に挿入する。中心電極１７は、チップ１９及び電極母材１８の先端が軸孔１６から外部に露出するように配置される。軸孔１６に端子金具２０を挿入し、端子金具２０と中心電極１７との導通を確保した後、予め電極母材１３が接合された主体金具１１を絶縁体１５の外周に組み付ける。電極母材１３にチップ１４を固定した後、チップ１４が中心電極１７と軸方向に対向するように電極母材１３を屈曲して、スパークプラグ１０を得る。

図２は接地電極１２の断面図であり、図３は接地電極１２の背面図である。図２は接地電極１２の先端部が図示されており、主体金具１１に接合される端部側の図示が省略されている。電極母材１３は、中心電極１７（図１参照）に対向する対向面３０と、対向面３０の反対側の背面３１とを備える断面が矩形状の部材である。本実施の形態では、電極母材１３はニッケル基合金で形成されている。電極母材１３は、スパークプラグ１０が内燃機関（図示せず）に取り付けられた状態で対向面３０が上を向く。

電極母材１３は、対向面３０から背面３１にかけて貫通する穴部３２が形成されている。穴部３２は、チップ１４及び固定部材５０が内側に配置される部位である。孔部３２は、電極母材１３の背面３１側に溶接部６０を介して固定部材５０が接合される。穴部３２の形状は、チップ１４及び固定部材５０の形状に応じて設定される。本実施の形態では、穴部３２は断面が円形である。電極母材１３は、穴部３２を形成する内周面に段部３３が形成されている。段部３３は電極母材１３の背面３１側を向く面である。本実施の形態では、段部３３は円環状に形成されている。

チップ１４は、中心電極１７（図１参照）に対向する頂面２１と、頂面２１の反対側の面である底面２２と、頂面２１に連絡する側面２３とを備える部材である。本実施の形態では、チップ１４は円柱状に形成されている。係合部２４は、側面２３から径方向の外側へ向かって鍔状に張り出す部位である。本実施の形態では、係合部２４は底面２２とほぼ同一の高さの面を有する円環状に形成されており、側面２３の全周に亘って設けられている。

チップ１４は、電極母材１３の段部３３に係合部２４が係合した状態で、穴部３２の内側に配置される。段部３３は、穴部３２に配置されたチップ１４の頂面２１が、電極母材１３の対向面３０と同じ高さ、又は、対向面３０よりも中心電極１７（図１参照）側へ突出するように対向面３０との距離が設定される。チップ１４は、底面２２が穴部３２の内側に配置されるように、係合部２４から底面２２までの厚さが設定される。

ろう材４０は、チップ１４及び電極母材１３の各々の融点よりも液相線温度が低い合金であり、チップ１４の底面２２に接触した状態で穴部３２の内側に配置される。ろう材４０は、例えば金ろう、銀ろう、白金ろう、ニッケルろう、銅ろう、りん青銅ろう、黄銅ろう、りん銅ろう等が用いられる。

ろう材４０は、液相線温度が、内燃機関（図示せず）の運転環境における電極母材１３の実体温度（最高温度）の±２００℃の範囲にあり、その運転環境で蒸発しないものが好適に用いられる。内燃機関の運転環境において、ろう材４０を溶融または軟化させ、チップ１４と固定部材５０との接触を維持するためである。なお、ろう材４０は、液相線温度が、内燃機関の運転環境における電極母材１３の実体温度（最高温度）よりも高い方が好ましい。ろう材４０の溶融を抑制し、漏洩を防ぐためである。

ろう材４０は、箔、線材、箔、粉末、ペースト等の種々の状態で供給され、穴部３２の内側に配置される。ろう材４０は、内燃機関（図示せず）の運転環境（燃焼室の温度や気圧など）に応じて、液相または固相の状態をとる。ろう材４０は、チップ１４の底面２２の全面に接触させる必要はなく、底面２２の少なくとも一部に接触していれば良い。

固定部材５０は、チップ１４が挿入された穴部４３を埋め、ろう材４０をチップ１４との間に保持するための金属製の部材である。固定部材５０は、接触面５１、接触面５１の反対側の面である反対面５２、及び、接触面５１と反対面５２とを連絡する外周面５３（図４（ｃ）参照）に囲まれている。本実施の形態では、固定部材５０は、電極母材１３と同じ材質のニッケル基合金で円柱状に形成されている。固定部材５０は、外周面５３の大きさが、穴部３２の大きさよりも僅かに小さい。

固定部材５０は、接触面５１をろう材４０に接触させた状態で穴部３２の内側に配置される。固定部材５０は、反対面５２が、電極母材１３の背面３１とほぼ同じ高さになるように、接触面５１から反対面５２までの厚さが設定される。固定部材５０は、溶接部６０によって電極母材１３に接合される。

溶接部６０は、固定部材５０と電極母材１３とを接合すると共に、ろう材４０の漏洩を防ぐための部位である。溶接部６０は、固定部材５０の外周面５３（図４（ｃ）参照）と穴部３２とを連続して接合する。図３に示すように溶接部６０は環状に形成されている。本実施の形態では、電極母材１３の背面３１側から照射したパルス状のレーザ光によって溶接部６０が形成されている。

図２に戻って説明する。電極母材１３のうち穴部３２の外周の部分が溶接部６０に溶融することにより、溶接部６０が形成される前と比べて穴部３２の形状は変化する。溶接部６０が存在する電極母材１３の背面３１側の部分では、電極母材１３と溶接部６０との境界が穴部３２である。

溶接部６０は、溶接金属が、固定部材５０の接触面５１に接する溶込み深さに形成されている。溶接部６０は固定部材５０の外周面５３（図４（ｃ）参照）と電極母材１３とが溶け合い、溶接部６０は、チップ１４の底面２２と固定部材５０の接触面５１とに接触するろう材４０に接する。なお、環状に形成された溶接部６０は、全周に亘ってろう材４０に接する必要はない。溶接部６０は、環状の周のうち少なくとも一部がろう材４０に接していれば良い。

溶接部６０は、チップ１４を溶融し接合する目的でチップ１４に実質的に到達しないように、溶込み深さが調整される。溶込み深さのばらつき等によって溶接部６０がチップ１４に部分的に到達したものは「実質的に到達しない」に含まれる。

次に図４を参照して接地電極１２の製造方法について説明する。図４（ａ）は電極母材１３の断面図であり、図４（ｂ）は穴部３２にチップ１４を挿入した電極母材１３の断面図であり、図４（ｃ）は穴部３２に固定部材５０を挿入した電極母材１３の断面図である。

図４（ａ）に示すように、対向面３０から背面３１にかけて貫通する穴部３２が形成された電極母材１３を準備する。次に図４（ｂ）に示すように、穴部３２にチップ１４を挿入し、チップ１４の係合部２４を段部３３に係合させる。必要に応じて、抵抗溶接により段部３３に係合部２４を固定できる。この抵抗溶接は省略できる。

次いで図４（ｃ）に示すように、チップ１４の底面２２にろう材４０を置き、固定部材５０を穴部３２に挿入して、固定部材５０の接触面５１をろう材４０に接触させる。次に溶接部６０（図２参照）を形成して、固定部材５０の外周面５３と電極母材１３とを連続して接合する。溶接部６０は、レーザ溶接、抵抗溶接、電子ビーム溶接、拡散接合などの周知の手段によって形成される。

内燃機関（図示せず）に取り付けられたスパークプラグ１０（図１参照）は、接地電極１２のチップ１４と中心電極１７との間の火花ギャップに放電を生じさせ、混合気に点火して内燃機関を運転させる。電極母材１３の熱膨張率はチップ１４の熱膨張率より大きいので、内燃機関の運転環境では、熱膨張率の差によってチップ１４の側面２３と電極母材１３の穴部３２との隙間が広がる。その隙間に燃焼室内の高温のガスが侵入すると、穴部３２の内面が酸化する。

従来の接地電極（特許文献１参照）では、穴部３２が酸化されて不動態化すると、穴部３２（段部３３も含む）とチップ１４との隙間が火花ギャップとなって、電極母材１３とチップ１４との電位差により穴部３２とチップ１４との間に放電が生じ易くなる。穴部３２とチップ１４との間に放電が生じると、穴部３２（電極母材１３）が火花消耗して、穴部３２とチップ１４との隙間がさらに拡大する。その結果、内燃機関（図示せず）の振動によって、チップ１４が電極母材１３から脱落したり、電極母材１３に対してチップ１４が傾いたりするおそれがある。

これに対し、本実施の形態における接地電極１２は、チップ１４及び固定部材５０にろう材４０を接触させ、固定部材５０が溶接部６０を介して電極母材１３に接合される。チップ１４は、溶接部６０及びろう材４０を介して電極母材１３と電気的に接続されるので、電極母材１３とチップ１４との電位差を小さくできる。その結果、穴部３２の内面が酸化しても、穴部３２とチップ１４との間で放電を生じ難くできる。穴部３２の内面を火花消耗し難くできるので、穴部３２とチップ１４との隙間の拡大を抑制できる。従って、穴部３２からのチップ１４の脱落や傾きを防止できる。

ろう材４０は内燃機関の運転環境において溶融または軟化するものを用いると、熱膨張によってチップ１４の底面２２と固定部材５０の接触面５１との隙間の大きさが変化しても、ろう材４０が変形して隙間の大きさの変化に追随する。隙間の大きさが変化してもチップ１４と固定部材５０との電気的な接続を確保できるので、穴部３２の内面を火花消耗し難くできる。また、ろう材４０が変形するので、チップ１４及び固定部材５０の熱応力を緩和できる。

溶接部６０は、固定部材５０の外周面５３と、穴部３２を形成する電極母材１３とを連続して接合する環状に形成される。そのため、内燃機関（図示せず）の運転環境によってろう材４０が溶融しても、固定部材５０の外周面５３と穴部３２との隙間から、溶けたろう材４０が漏れ出ないようにできる。

電極母材１３は、スパークプラグ１０が内燃機関に取り付けられた状態で対向面３０が上を向き、背面３１が下を向く。電極母材１３の背面３１側に溶接部６０が形成されているので、溶けたろう材４０が、溶接部６０に遮られて落下できないようにできる。その結果、ろう材４０の漏洩を防止できる。

溶接部６０は、環状の溶接部６０の周のうちの少なくとも一部がろう材４０に接するので、固定部材５０の外周面５３と穴部３２との隙間の周のうちの少なくとも一部が溶接部６０で塞がれる。その結果、溶接部６０がろう材４０に接しない場合に比べて、外周面５３と穴部３２との隙間の体積を小さくできる。隙間にろう材４０が流れ込む量を少なくできるので、チップ１４と固定部材５０との間に配置されたろう材４０の量が少なくならないようにできる。ろう材４０によってチップ１４と電極母材１３との電気的な接続を長期間に亘って確保できるので、穴部３２の内面の火花消耗が経時的に増加しないようにできる。その結果、接地電極１２の耐久性を確保できる。

溶接部６０は、環状の溶接部６０の全周に亘ってろう材４０に接するのが好ましい。固定部材５０の外周面５３と穴部３２との隙間を、全周に亘って溶接部６０で塞ぐことにより、ろう材４０を接触面５１に保持するためである。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

上記実施の形態では、円柱状のチップ１４の場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。チップ１４を四角柱などの多角柱にすることは当然可能である。また、側面２３にテーパを設けた円錐台や角錐台の形状にチップ１４を形成することは当然可能である。

上記実施の形態では、チップ１４の側面２３の全周に亘って係合部２４を設ける場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。チップ１４を穴部３２に固定できれば良いので、チップ１４の側面２３の一部に係合部２４を部分的に設けることは当然可能である。

上記実施の形態では、係合部２４が、チップ１４の底面２２とほぼ同一の高さの面を有する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。係合部２４はチップ１４の頂面２１と同一の高さの面を有しなければ、チップ１４の側面２３の高さ方向の任意の位置に係合部２４を設けることは当然可能である。

上記実施の形態では、円柱形状のチップ１４を挿入するために、断面が円形の穴部３２と円環状の段部３３とを形成したが、これに限られるものではない。穴部３２及び段部３３の形状は、チップ１４の形状に応じて、チップ１４を挿入できるように適宜設定される。

上記実施の形態では、円柱形状のチップ１４を挿入するために、断面が円形の穴部３２と円環状の段部３３とを形成し、その穴埋めのために、円柱状の固定部材５０を用いる場合について説明した。しかし、これに限られるものではなく、固定部材５０の形状は、穴部３２（段部３３を含む）の形状に応じて、穴部３２を穴埋めできるように適宜設定される。

上記実施の形態では、固定部材５０の材質が、電極母材１３と同じ材質の場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。固定部材５０は、熱膨張率が、チップ１４の熱膨張率よりも電極母材１３の熱膨張率に近いものであれば良い。そのような固定部材５０を用いると、固定部材５０を用いないでチップ１４を電極母材１３に溶接する場合に比べて、固定部材５０と電極母材１３との熱膨張率の違いによって生じる溶接部６０の熱応力を抑制できるからである。

１０ スパークプラグ
１２ 接地電極
１３ 電極母材
１４ チップ
２１ 頂面
２２ 底面
２４ 係合部
１７ 中心電極
３０ 対向面
３１ 背面
３２ 穴部
３３ 段部
４０ ろう材
５０ 固定部材
５３ 外周面
６０ 溶接部

Claims (2)

1. 中心電極に対向する接地電極を備えるスパークプラグであって、
   前記接地電極は、前記中心電極に対向する対向面と前記対向面の反対側の背面とを備える電極母材と、貴金属を含有し前記電極母材に支持されるチップとを備え、
   前記電極母材は、前記対向面から前記背面にかけて貫通する穴部を有すると共に、前記穴部を形成する前記電極母材の内周面に前記背面側を向く段部を備え、
   前記チップは、前記中心電極に対向する面である頂面と、前記頂面の反対側の面であって前記穴部の内側に配置される底面と、前記段部に係合する係合部とを備え、
   前記底面に接触した状態で前記穴部の内側に配置されるろう材と、
   前記ろう材に接触した状態で前記穴部の内側に配置される固定部材と、
   前記固定部材と前記電極母材とを接合する溶接部とを備えることを特徴とするスパークプラグ。
2. 前記溶接部は、前記固定部材の外周面と前記穴部を形成する前記電極母材の内周面とを連続して接合する環状に形成されると共に前記ろう材に接することを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ。

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