JP2020119817A - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】チップや溶融部の破壊を抑制しつつチップの寿命を確保できるスパークプラグを提供すること。【解決手段】スパークプラグは、母材と、放電面を有するチップと、チップと母材との間の全体に亘って介在しチップを母材に接合する溶融部と、を備える接地電極と、放電面と自身の先端面との間に火花ギャップを形成する中心電極と、を備える。溶融部は、チップの外周部に囲まれる内側に、チップと母材との間の厚さが、外周部におけるチップと母材との間の厚さよりも厚い厚肉部を備え、厚肉部は、放電面に垂直な方向に先端面を投影した範囲外に存在する。【選択図】図２

Description

本発明はスパークプラグに関し、特に接地電極の母材にチップが接合されたスパークプラグに関するものである。

接地電極のチップと中心電極との間に火花ギャップが形成されるスパークプラグにおいて、特許文献１に開示の技術では、接地電極の母材とチップとが溶け合ってなる溶融部が、母材とチップとの間の全体に亘って介在する。溶融部は、母材の線膨張係数とチップの線膨張係数との差によって生じる応力を緩和し、熱膨張収縮によるチップや溶融部の破壊を抑制する。溶融部に生じる応力は溶融部の断面積に反比例するので、溶融部は断面積が大きい方が応力の緩和効果を高くできる。

特開２０１３−４１７５４号公報

しかし上記従来の技術では、溶融部の断面積を大きくするために溶融部を単に厚くするとチップの溶融量が増えてしまうので、チップが薄くなり、チップが早期に消耗し易くなるおそれがある。

本発明はこの問題点を解決するためになされたものであり、チップや溶融部の破壊を抑制しつつチップの寿命を確保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。

この目的を達成するために本発明のスパークプラグは、母材と、放電面を有するチップと、チップと母材との間の全体に亘って介在しチップを母材に接合する溶融部と、を備える接地電極と、放電面と自身の先端面との間に火花ギャップを形成する中心電極と、を備える。溶融部は、チップの外周部に囲まれる内側に、チップと母材との間の厚さが、外周部におけるチップと母材との間の厚さよりも厚い厚肉部を備え、厚肉部は、放電面に垂直な方向に先端面を投影した範囲外に存在する。

請求項１記載のスパークプラグによれば、チップを母材に接合する溶融部には、チップの外周部に囲まれる内側に、チップと母材との間の厚さが、チップの外周部におけるチップと母材との間の厚さよりも厚い厚肉部が存在する。厚肉部によってチップや溶融部に生じる応力を緩和できるので、チップや溶融部の破壊を抑制できる。

厚肉部は、チップの放電面に垂直な方向に中心電極の先端面を投影した範囲外に存在する。このようにすることで、その範囲外に、チップのうち放電面に垂直な方向に厚肉部が存在する部位を存在させることができる。厚肉部が形成されることにより、チップのうち放電面に垂直な方向に厚肉部が存在する部位の厚さは、それ以外の部位の厚さに比べて薄くなり易いが、これを消耗し難い場所に配置できる。これにより、放電によりチップが消耗して厚肉部が早期に露出しないようにできる。よって、チップの寿命を確保できる。

請求項２記載のスパークプラグによれば、溶融部は厚肉部を複数備えているので、チップや溶融部に生じる応力を複数個所で緩和できる。よって、請求項１の効果に加え、チップや溶融部の破壊をさらに抑制できる。

請求項３記載のスパークプラグによれば、母材の第１端部に溶融部が形成され、第１端部の反対側に位置する第２端部が主体金具に接合される。厚肉部は、チップの放電面の中央よりも第２端部側の第１領域、及び、第１領域の反対側に位置する第２領域のそれぞれに存在する。よって、請求項２の効果に加え、母材の第１端部から第２端部へ向かう方向に生じる熱膨張収縮の応力緩和に効果がある。

請求項４記載のスパークプラグによれば、厚肉部は、外周部の一部から外周部の一部以外の部位まで延びているので、チップや溶融部に生じる応力の緩和効果を向上できる。よって、請求項１から３のいずれかの効果に加え、チップや溶融部の破壊をさらに抑制できる。

第１実施の形態におけるスパークプラグの片側断面図である。 （ａ）は接地電極の背面図であり、（ｂ）は図２（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ線における接地電極および中心電極の断面図である。 第２実施の形態におけるスパークプラグの接地電極の背面図である。

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は第１実施の形態におけるスパークプラグ１０の軸線Ｏを境にした片側断面図である。図１では、紙面下側をスパークプラグ１０の先端側、紙面上側をスパークプラグ１０の後端側という。図１に示すようにスパークプラグ１０は、絶縁体１１、中心電極２０、主体金具３０及び接地電極４０を備えている。

絶縁体１１は、軸線Ｏに沿って貫通する軸孔１２が形成された略円筒状の部材であり、機械的特性や高温下の絶縁性に優れるアルミナ等のセラミックスにより形成されている。絶縁体１１は、軸孔１２により形成された内周面の先端側に、後端側を向く円環状の面である後端向き面１３が形成されている。後端向き面１３は先端側へ向けて縮径している。

中心電極２０は、頭部２１が後端向き面１３に係止される棒状の部材であり、後端向き面１３よりも先端側の軸孔１２に軸部２２が配置されている。中心電極２０は、Ｎｉを主成分とする有底円筒状の母材が、銅を主成分とする芯材を覆っている。芯材を省略することは可能である。中心電極２０の母材の先端にはチップ２３が接合されている。チップ２３は、例えばＰｔ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ等の貴金属のうちの１種または２種以上を含み、これらの貴金属の１種を５０ｗｔ％以上含む化学組成を有する。中心電極２０は、軸孔１２内で端子金具２５と電気的に接続されている。

端子金具２５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、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成されている。端子金具２５は、先端側が軸孔１２に挿入された状態で、絶縁体１１の後端に固定されている。

主体金具３０は、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成された略円筒状の部材である。主体金具３０は絶縁体１１の先端側を取り囲み、絶縁体１１を内側に保持する。主体金具３０は、自身の先端側の胴部３１の外周面におねじ３２が形成されている。おねじ３２は、エンジン（図示せず）のねじ穴に螺合する部位である。主体金具３０は、胴部３１の後端側に連接される座部３３と、座部３３の後端側に連接される後端部３４と、を備えている。

座部３３は、エンジン（図示せず）のねじ穴とおねじ３２との隙間を塞ぐための部位であり、胴部３１の外径よりも外径が大きく形成されている。後端部３４には、エンジンのねじ穴におねじ３２を締め付けるときにレンチ等の工具が係合する工具係合部が形成されている。主体金具３０は、胴部３１に接地電極４０が接続されている。

接地電極４０は、導電性を有する金属材料（例えばＮｉ基合金等）によって形成された母材４１と、母材４１に接合されたチップ４４と、を備えている。母材４１は、チップ４４が接合された第１端部４２と、主体金具３０に接合された第２端部４３と、を備える棒状の部材である。チップ４４の材質は母材４１の材質と異なり、チップ４４の線膨張係数は母材４１の線膨張係数と異なる。

チップ４４は、例えばＰｔ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ等の貴金属のうちの１種または２種以上を含み、これらの貴金属の１種を５０ｗｔ％以上含む化学組成を有する。この中では、特に、Ｉｒを５０ｗｔ％以上含む化学組成や、Ｐｒを５０ｗｔ％以上含みさらにＩｒを含有する化学組成が好ましい。このような化学組成であれば、後述する厚肉部６１を形成し易い。

後端側を向くチップ４４の放電面４５と中心電極２０（チップ２３の先端面２４）との間に火花ギャップ４６が形成されている。放電面４５は、１辺の長さが２．５ｍｍ以上の矩形状、もしくは、これと同等の大きさを有する円形状であることが好ましい。このような形状であれば、後述する厚肉部６１を形成し易い。

図２（ａ）はチップ４４を後端側からみた接地電極４０の背面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ線における接地電極４０及び中心電極２０の断面図である。図２（ａ）は母材４１の第１端部４２が図示されており、第２端部４３（図１参照）の図示が省略されている（図３においても同じ）。図２（ｂ）は中心電極２０のチップ２３の後端側の図示が省略されている。図２（ａ）の矢印Ｌは、母材４１の第１端部４２から第２端部４３へ延びる母材４１の長手方向を示す（図３においても同じ）。図２（ｂ）の矢印Ｆはスパークプラグ１０（図１参照）の軸線方向の先端側を示す。本実施形態では、チップ４４は放電面４５が矩形の板状に形成されている。チップ４４の放電面４５の面積は、中心電極２０のチップ２３の先端面２４の面積よりも広い。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すようにチップ４４は、母材４１及びチップ４４が溶け合った溶融部５１が母材４１の第１端部４２に形成され、母材４１に接合されている。溶融部５１の形成により、チップ４４の放電面４５の反対側の面は全体が溶けて消失している。チップ４４と溶融部５１との界面５２は、中央付近が後端側（反矢印Ｆ方向）へ隆起している。

チップ４４の放電面４５の外周縁５４は、互いに向き合う第１辺５５及び第２辺５６と、第１辺５５及び第２辺５６にそれぞれ交わる第３辺５７及び第４辺５８と、からなる。第３辺５７及び第４辺５８は互いに向き合う。第１辺５５は、第２辺５６に対し母材４１の長手方向（矢印Ｌ方向）の第２端部４３（図１参照）側に位置する。

チップ４４の放電面４５に垂直な方向からみた第１端部４２の背面視において（図２（ａ）参照）、溶融部５１はチップ４４の外周縁５４の周囲まで広がっている。本実施形態ではチップ４４は放電面４５が矩形の板状なので、チップ４４の放電面４５に垂直な方向から見える部分の形を表すチップ４４の外形線は、チップ４４の放電面４５の外周縁５４に等しい。

チップ４４の外周部５９は、チップ４４の外形線（本実施形態では外周縁５４）を６０％に縮小した縮図５９ａと外形線との間の領域である。チップ４４の外形線と縮図５９ａとは相似である。チップ４４の外形線の中心および縮図５９ａの中心は、放電面４５の中央６０に一致する。外周部５９の幅は、チップ４４の外形線の内側に配置した縮図５９ａと外形線との間の距離である。外周部５９のうち第１辺５５及び第２辺５６にそれぞれ接する部位の幅は、それぞれ第１辺５５と第２辺５６との間の距離の２０％である。外周部５９のうち第３辺５７及び第４辺５８にそれぞれ接する部位の幅は、それぞれ第３辺５７と第４辺５８との間の距離の２０％である。

溶融部５１には、チップ４４の外周部５９に囲まれる内側に、チップ４４と母材４１との間の厚さＴ２が、外周部５９におけるチップ４４と母材４１との間の厚さＴ１よりも厚い厚肉部６１が形成される（図２（ｂ）参照）。厚肉部６１は、本実施形態では、外周部５９の一部（部位６２）から外周部５９の部位６３（部位６２を除く）まで延びている。厚肉部６１は、チップ４４の放電面４５に垂直な方向に、中心電極２０（図１参照）の先端面２４を投影した範囲６４の外に存在する。なお、チップ４４の放電面４５と範囲６４とが交わる部位は、チップ４４の外周縁５４の内側に存在する。チップ４４のうち放電面４５に垂直な方向に厚肉部６１が存在する部位４４ａは、チップ４４のその他の部位（例えば範囲６４内の部位）の厚さに比べて薄くなっている。

外周部５９の部位６２は第１辺５５に接し、部位６３は第２辺５６に接する。厚肉部６１は、第１端部４２から第２端部４３（図１参照）へ向かう方向（矢印Ｌ方向）に延びている。その結果、厚肉部６１は、チップ４４の放電面４５の中央６０よりも第２端部４３側の第１領域６５、及び、第１領域６５の反対側に位置する第２領域６６に存在する。

厚肉部６１の特定は、チップ４４の放電面４５に垂直に接地電極４０を切断し、その断面を顕微鏡などで観察した結果に基づいて行う。例えば、チップ４４の第１辺５５と第２辺５６との間の距離の２０％間隔で（チップ４４を５等分して）、第２辺５６から第１辺５５に向かって順に断面を作り、各断面における厚肉部６１の形状を観察する。複数の断面観察の結果から厚肉部６１の全体の形状を推定できる。

厚さＴ１は、観察した接地電極４０の断面において、外周部５９（部位６２，６３を除く）における界面５２，５３間の最短距離である。その厚さＴ１よりも界面５２，５３間が厚い部位が厚肉部６１である。厚肉部６１は厚さＴ２を厚さＴ１と比較することにより特定される。

ここで、外周部５９の部位６２，６３におけるチップ４４と母材４１との間の厚さＴ３（図示せず）は、部位６２，６３を除く外周部５９における溶融部５１の厚さＴ１よりも厚い。従って、厚さＴ３との比較によって厚肉部６１を特定すると、厚肉部６１が過少になる。そこで、複数の断面観察の結果から厚肉部６１の全体の形状を推定するときに、部位６２，６３の位置も特定し、外周部５９（部位６２，６３を除く）における溶融部５１の厚さＴ１を決定し、厚さＴ２を評価して厚肉部６１を特定する。なお、溶融部５１がＸ線を透過する化学組成をもつ場合には、Ｘ線透過装置を用いた非破壊検査によって厚肉部６１の形状を特定できる。

厚肉部６１は、チップ４４の放電面４５と略平行な方向から、レーザビーム等の高エネルギービームをチップ４４と母材４１との境界部分に照射して形成できる。例えば、まずチップ４４の第３辺５７に沿って矢印Ｌ方向にビームを移動させながらチップ４４と母材４１との境界部分にビームを照射する。第３辺５７の近傍に溶融部５１が形成されるように、ビームのエネルギー等を調整する。次いで、チップ４４の第４辺５８に沿って反矢印Ｌ方向にビームを移動させながらチップ４４と母材４１との境界部分にビームを照射する。先に形成された溶融部５１に溶融部が重なるように、ビームのエネルギー等を調整する。これにより２方向から形成された溶融部５１が重なり合った部位が厚くなり、溶融部５１に厚肉部６１が形成される。

スパークプラグ１０の溶融部５１は、チップ４４と母材４１とが溶け合っているので、母材４１の線膨張係数とチップ４４の線膨張係数との差によりチップ４４や溶融部５１に生じる応力を緩和する。これにより溶融部５１は熱膨張収縮によるチップ４４や溶融部５１の破壊を抑制する。溶融部５１に生じる平均応力は溶融部５１の断面積に反比例するので、応力の緩和効果を高くするためには、溶融部５１の断面積は大きい方が望ましい。

しかし、溶融部の断面積を大きくするために溶融部を単に厚くするとチップの溶融量が増えてしまうので、チップが薄くなり、早期にチップが消耗する（溶融部が露出する）おそれがある。

これに対し本実施形態によれば、溶融部５１のうちチップ４４の外周部５９に囲まれる内側に、厚肉部６１が部分的に存在する。厚肉部６１によってチップ４４や溶融部５１に生じる応力を緩和できるので、チップ４４や溶融部５１の破壊を抑制できる。

一方、厚肉部６１は、チップ４４の放電面４５に垂直な方向に中心電極２０の先端面２４を投影した範囲６４外に存在する。このようにすることで、その範囲６４外に、チップ４４の放電面４５に垂直な方向に厚肉部６１が存在する部位４４ａを、存在させることができる。即ち、チップ４４の部位４４ａの厚さは、チップ４４のその他の部位（特に範囲６４内の部位）の厚さに比べて薄くなり易いが、チップ４４の放電面４５は中心電極２０の先端面２４が対向する範囲６４内の部位から消耗し易いので、部位４４ａを消耗し難い部位に配置できる。これにより、放電によりチップ４４が消耗して厚肉部６１が早期に露出しないようにできる。よって、チップ４４の寿命を確保できる。

厚肉部６１は、外周部５９の一部の部位６２から外周部５９のその他の部位６３まで延びているので、厚肉部６１の体積を拡大することができ、チップ４４や溶融部５１に生じる応力の緩和効果を向上できる。よって、チップ４４や溶融部５１の破壊をさらに抑制できる。

厚肉部６１は、チップ４４の放電面４５の中央６０よりも第２端部４３側の第１領域６５、及び、第１領域６５の反対側に位置する第２領域６６のそれぞれに存在する。よって、母材４１の第１端部４２から第２端部４３へ向かう方向（矢印Ｌ方向）に生じる熱膨張収縮によるチップ４４や溶融部５１の破壊を抑制し易くできる。

図３を参照して第２実施の形態について説明する。第２実施形態では、溶融部５１に厚肉部７１が複数形成される場合について説明する。なお、第１実施形態で説明した部分と同一の部分については、同一の符号を付して以下の説明を省略する。図３は第２実施の形態におけるスパークプラグのチップ４４を後端側からみた接地電極７０の背面図である。接地電極７０は、第１実施形態におけるスパークプラグ１０の接地電極４０に代えて配置される。

溶融部５１には、外周部５９に囲まれる内側に、チップ４４と母材４１との間の厚さが、外周部５９におけるチップ４４と母材４１との間の厚さよりも厚い厚肉部７１が複数形成されている。厚肉部７１は、チップ４４の放電面４５に垂直な方向（図３紙面垂直方向）に中心電極２０の先端面７２を投影した範囲外に存在する。なお、放電面４５に垂直な方向に先端面７２を投影した範囲は、チップ４４の外周縁５４（第４辺５８）に交わっている。第４辺５８は外周縁５４のうち最も厚肉部７１から離れた部位である。

溶融部５１に形成された厚肉部７１によって、チップ４４や溶融部５１に生じる応力を緩和できるので、チップ４４や溶融部５１の破壊を抑制できる。厚肉部７１は複数形成されているので、厚肉部７１の体積を拡大することができ、チップ４４や溶融部５１に生じる応力の緩和効果を向上できる。

厚肉部７１は、チップ４４の放電面４５に垂直な方向に中心電極２０の先端面７２を投影した範囲外に存在するので、その範囲外に、チップ４４のうち放電面４５に垂直な方向に厚肉部７１が存在する部位を、存在させることができる。これにより、第１実施形態と同様に、放電によりチップ４４が消耗して厚肉部７１が早期に露出しないようにできる。よって、チップ４４の寿命を確保できる。

放電面４５に垂直な方向に先端面７２を投影した範囲が、チップ４４の外周縁５４に交わっているので、中心電極２０の先端面７２とチップ４４の外周縁５４との間に放電を生じさせ易くできる。これにより厚肉部７１の近傍に放電を生じ難くできるので、チップ４４の消耗によって厚肉部７１が露出するまでの時間をさらに長くできる。よって、チップ４４を高寿命化できる。この効果は、放電面４５に垂直な方向に先端面７２を投影した範囲が第４辺４８に交わるときに、顕著に得られる。

厚肉部７１は、第１領域６５及び第２領域６６にそれぞれ存在する。よって、母材４１の第１端部４２から第２端部４３へ向かう方向（矢印Ｌ方向）に生じる熱膨張収縮によるチップ４４や溶融部５１の破壊を抑制し易くできる。

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。

実施形態では、接地電極４０，７０のチップ４４の放電面４５が矩形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。例えば、矩形は角が丸みを帯びたり小さな面取りが施されたりしていても良い。放電面４５の形状は円形や楕円形でも良い。要するに、放電面４５の形状は任意に設定できる。

実施形態では、中心電極２０に貴金属などを含有するチップ２３が設けられ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。中心電極２０のチップ２３を省略することは当然可能である。チップ２３が省略される場合に、中心電極２０の先端面とは、母材の先端面のことをいう。

第１実施形態では、チップ４４の外形線に厚肉部６１の両端部が到達しているが（図２（ａ）参照）、必ずしもこれに限られるものでない。厚肉部６１が、外周部５９の一部から外周部５９の一部以外の部位に延びていれば、厚肉部６１による応力の緩和効果を向上できる。従って、厚肉部６１の両端部はチップ４４の外形線に到達する必要はない。厚肉部６１の両端部は外周部５９に重なっていれば良い。即ち、厚肉部６１が縮図５９ａに交わっていれば良い。

第１実施形態では、厚肉部６１が、母材４１の第１端部４２から第２端部４３へ向かう方向（矢印Ｌ方向）へ延び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。母材４１の第１端部４２から第２端部４３へ向かう方向（矢印Ｌ方向）と交差する方向に延びるように厚肉部６１を形成することは当然可能である。厚肉部６１が延びる方向は、チップ４４を母材４１に接合するときに照射する高エネルギービームの向きによって設定できる。厚肉部６１が矢印Ｌ方向と交差する方向に延びる場合には、矢印Ｌ方向と交差する方向に生じる熱膨張収縮によるチップ４４や溶融部５１の破壊を抑制し易くできる。

１０ スパークプラグ
２０ 中心電極
２４，７２ 先端面
３０ 主体金具
４０，７０ 接地電極
４１ 母材
４２ 第１端部
４３ 第２端部
４４ チップ
４５ 放電面
４６ 火花ギャップ
５１ 溶融部
５９ 外周部
６０ 放電面の中央
６１，７１ 厚肉部
６４ 先端面を投影した範囲
６５ 第１領域
６６ 第２領域

Claims (4)

1. 母材と、放電面を有するチップと、前記チップと前記母材との間の全体に亘って介在し前記チップを前記母材に接合する溶融部と、を備える接地電極と、
   前記放電面と自身の先端面との間に火花ギャップを形成する中心電極と、を備えるスパークプラグであって、
   前記溶融部は、前記チップの外周部に囲まれる内側に、前記チップと前記母材との間の厚さが、前記外周部における前記チップと前記母材との間の厚さよりも厚い厚肉部を備え、
   前記厚肉部は、前記放電面に垂直な方向に前記先端面を投影した範囲外に存在するスパークプラグ。
2. 前記溶融部は、前記厚肉部を複数備えている請求項１記載のスパークプラグ。
3. 前記母材は、前記溶融部が形成される第１端部と、前記第１端部の反対側に位置し主体金具に接合される第２端部と、を備え、
   前記厚肉部は、前記放電面の中央よりも前記第２端部側の第１領域、及び、前記第１領域の反対側に位置する第２領域のそれぞれに存在する請求項２記載のスパークプラグ。
4. 前記厚肉部は、前記外周部の一部から前記外周部の前記一部以外の部位まで延びている請求項１から３のいずれかに記載のスパークプラグ。

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