JP2022147178A - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】クリープ現象に起因する接地電極の変形を抑制することが可能なスパークプラグを提供する。
【解決手段】スパークプラグは、筒状のハウジング１１と、ハウジング１１の先端部１１０に接合される接地電極１４と、を備える。ハウジング１１の先端部１１０には、外壁部１１１ａを有し、且つハウジングの内周面及び先端面に開口する凹状の溝部１１１が形成される。接地電極１４の基端部４０１は、溝部１１１に挿入される。溝部１１１の外壁部１１１ａには、当該外壁部１１１ａから接地電極１４の外周面を貫通して接地電極１４の内部まで延びるように溶接部１１４が形成される。接地電極１４の基端部は、溶接部１１４を介して溝部１１１の外壁部１１１ａに接合されている。
【選択図】図３

Description

本開示は、スパークプラグに関する。

従来、下記の特許文献１に記載のスパークプラグがある。このスパークプラグは、筒状の絶縁碍子の内部に挿入される中心電極と、絶縁碍子の外周に設けられるハウジングと、ハウジングに固定される接地電極とを備えている。接地電極は、その基端部がハウジングに固定されるとともに、屈曲部にて中心電極側に曲げられて、その先端部が中心電極との間で隙間を形成するように配置されている。接地電極の屈曲部では、接地電極の中心軸に直交する断面において接地電極の断面重心よりも中心電極側に位置する部位の強度が、中心電極とは反対側に位置する部位の強度よりも大きくなっている。これにより、車両のエンジン等の動作に伴う振動がスパークプラグに加わる環境下であっても、接地電極の先端が中心電極から離間する方向に起き上がる現象、換言すれば中心電極と接地電極との間に形成される火花ギャップが拡大する現象が抑制される。

特開２０１３－１１４７５４号公報

スパークプラグの製造の際には、接地電極の基端部をハウジングの端面に接合させる接合工程、接合工程の後に接地電極の先端部が中心電極に対向するように接地電極を内側に曲げる曲げ工程、及び曲げ工程の後に接地電極の先端を外側から叩いて火花ギャップの大きさを調整するギャップ調整工程が行われる。これらの工程を経て接地電極が成形されるため、接地電極の基端部の内周部分には圧縮方向の力が加わる。これが、接地電極の基端部の内周部分に内部応力を残留させる要因となっている。

一方、近年の熱効率の向上を図ったエンジンでは、その燃焼温度が従来よりも高温となっている。このようなエンジンでは高温の燃焼熱を接地電極の基端部が継続して受けることにより、接地電極の基端部に時間の経過に伴って残留応力に応じた変形が生じる、いわゆるクリープ現象が発生する可能性がある。接地電極の基端部に発生するクリープ現象は、接地電極の先端部が中心電極に近づく現象、換言すれば火花ギャップが縮小する現象を生じさせる要因となる。仮に火花ギャップが縮小すると、中心電極と接地電極との間に形成される火花放電により混合気が着火した際に、生成される火炎が接地電極等に接触し易くなるため、火炎の熱が接地電極等に奪われることにより着火性が悪化する懸念がある。

本開示は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、クリープ現象に起因する接地電極の変形を抑制することが可能なスパークプラグを提供することにある。

上記課題を解決するスパークプラグは、筒状の絶縁体（１２）に挿入される中心電極（１３）と、絶縁碍子の外周に設けられる筒状のハウジング（１１）と、ハウジングの先端部に接合される接地電極（１４）と、を備える。ハウジングの先端部には、外壁部（１１１ａ）を有し、且つハウジングの内周面及び先端面に開口する凹状の溝部（１１１）が形成される。接地電極の基端部は、溝部に挿入される。溝部の外壁部には、当該外壁部から接地電極の外周面を貫通して接地電極の内部まで延びるように溶接部（１１４）が形成される。接地電極の基端部は、溶接部を介して溝部の外壁部に接合されている。

この構成によれば、接地電極の基端部の外周部分が溶接部を介して溝部の外壁部に接合されているため、曲げ工程及びギャップ調整工程において接地電極を変形させる際に溶接部により接地電極の基端部の外周部分が支持される。これにより、応力が発生するような変形が接地電極に生じ難くなるため、結果的にクリープ現象に起因する接地電極の変形を抑制することができる。

なお、上記手段、特許請求の範囲に記載の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本開示のスパークプラグによれば、クリープ現象に起因する接地電極の変形を抑制することが可能である。

図１は、実施形態のスパークプラグの破断断面構造を示す断面図である。 図２は、実施形態のハウジングの先端部の拡大構造を示す拡大図である。 図３は、実施形態のハウジング及び接地電極の接合部分の断面構造を示す断面図である。 図４（Ａ），（Ｂ）は、実施形態のスパークプラグの製造工程の一部を示す図である。 図５（Ａ）～（Ｃ）は、実施形態のスパークプラグの製造工程の一部を示す図である。 図６は、参考例のハウジング及び接地電極の接合部分の断面構造を示す断面図である。 図７は、参考例のスパークプラグの接地電極周辺の拡大構造を示す拡大図である。 図８は、他の実施形態のハウジング及び接地電極の接合部分の断面構造を示す断面図である。

以下、スパークプラグの一実施形態について図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
はじめに、図１に示される本実施形態のスパークプラグ１０の概略構成について説明する。このスパークプラグ１０は例えばエンジンヘッドに設けられる。スパークプラグ１０は、電圧の印加に基づき火花放電を形成することによりエンジンの気筒内の混合気を着火する。スパークプラグ１０は、ハウジング１１と、絶縁碍子１２と、中心電極１３と、接地電極１４とを備えている。

ハウジング１１はスパークプラグ１０の中心軸ｍ１０を中心に円筒状に形成されている。ハウジング１１は例えば炭素鋼等の金属材料により形成されている。ハウジング１１の内部には絶縁碍子１２の下端部が同軸上に挿入されている。
絶縁碍子１２は中心軸ｍ１０を中心に円筒状に形成されている。絶縁碍子１２はアルミナ等の絶縁材料により形成されている。本実施形態では、絶縁碍子１２が絶縁体に相当する。絶縁碍子１２の外周部分にはハウジング１１が一体的に組み付けられている。絶縁碍子１２の内部には軸孔１２０が形成されている。軸孔１２０は中心軸ｍ１０に沿って絶縁碍子１２の先端部から基端部まで貫通するように形成されている。軸孔１２０には、その先端部の側から中心電極１３、第１シール体１５、抵抗体１６、第２シール体１７、及び端子金具１８が順に収容されている。

中心電極１３は電極母材３０と電極チップ３１とを有している。電極母材３０は中心軸ｍ１０を中心に円柱状に形成されている。電極母材３０は、耐熱性に優れるニッケル（Ｎｉ）合金等により形成されている。電極チップ３１は電極母材３０の先端部に接合されている。電極チップ３１は中心軸ｍ１０を中心に円柱状に形成されている。電極チップ３１はイリジウム合金等により形成されている。中心電極１３の基端部と端子金具１８の先端部との間には第１シール体１５、抵抗体１６、及び第２シール体１７が配置されている。

端子金具１８は中心軸ｍ１０を中心に略円柱状に形成されている。端子金具１８は鋼材等により形成されている。端子金具１８の基端部には端子部１８０が形成されている。端子金具１８は、その端子部１８０が絶縁碍子１２の基端部から突出するように軸孔１２０に挿入されている。

接地電極１４は電極母材４０と電極チップ４１とを有している。電極母材４０はニッケル合金等により形成されている。電極母材４０は、ハウジング１１の下端面に固定されるとともに、その下端面から中心電極１３の電極チップ３１に対向する位置まで延びるように形成されている。電極チップ４１は電極母材４０の先端部４００に接合されている。電極チップ４１は、イリジウム合金や白金合金等の貴金属合金により形成されている。電極チップ４１は、所定の隙間１９を有して中心電極１３の電極チップ３１に対向するように配置されている。以下では、中心電極１３の電極チップ３１と接地電極１４の電極チップ４１との間に形成される隙間１９を「火花ギャップ１９」と称する。

このスパークプラグ１０では、高電圧を印加する外部回路が端子金具１８の端子部１８０に接続される。外部回路により端子金具１８の端子部１８０に高電圧が印加されると、中心電極１３の電極チップ３１と接地電極１４の電極チップ４１との間に火花放電が形成される。この火花放電によりエンジンの気筒内の混合気が着火して火炎が形成されることにより混合気が燃焼する。

次に、ハウジング１１と接地電極１４との接合部分の構造について詳しく説明する。
図２に示されるように、ハウジング１１の先端部１１０には凹状の溝部１１１が形成されている。溝部１１１は、外壁部１１１ａを有し、且つハウジング１１の内周面１１２及び先端面１１３に開口するように形成されている。

図３に示されるように、ハウジング１１の溝部１１１には接地電極１４の電極母材４０の基端部４０１が挿入される。溝部１１１の外壁部１１１ａには、レーザ溶接による溶接部１１４が形成されている。溶接部１１４は、溝部１１１の外壁部１１１ａから電極母材４０の外周面を貫通して電極母材４０の内部まで延びるように形成されている。電極母材４０の基端部４０１は、溝部１１１の内周面と接触している部分において抵抗溶接により接合されるとともに、溶接部１１４を介して溝部１１１の外壁部１１１ａに接合されている。

次に、本実施形態のスパークプラグ１０の製造方法、特にハウジング１１に対する接地電極１４の接合方法について説明する。
ハウジング１１に対して接地電極１４を接合する際には、まず、直線の棒状に形成された接地電極１４をハウジング１１に接合する工程が行われる。具体的には、図４（Ａ）に示されるように、接地電極１４の電極母材４０の基端部４０１をハウジング１１の溝部１１１に挿入した後、それらを抵抗溶接により接合させる。抵抗溶接を行った後、図４（Ｂ）に示されるように、溝部１１１の外壁部１１１ａの外面からレーザ溶接を行うことにより、電極母材４０の基端部４０１と溝部１１１の外壁部１１１ａとを更に接合させる。これにより、電極母材４０の基端部４０１の外周面と溝部１１１の内周面とが抵抗溶接により接合されるとともに、図３に示されるようなレーザ溶接による溶接部１１４を介して溝部１１１の外壁部１１１ａと接地電極１４の電極母材４０の基端部４０１とが接合される。

こうした接合工程を行った後、図５（Ａ）に示されるように接地電極１４の電極母材４０の内面４００ｂを支持台５０により押さえつつ、曲げローラ５１により電極母材４０の先端部４００の外面４００ａを押圧する曲げ工程が行われる。この曲げ工程により、図５（Ｂ）に示されるように、電極母材４０の先端部４００が中心電極１３に向かって曲げられる。

曲げ工程に続いてギャップ調整工程が行われる。ギャップ調整工程では、図５（Ｃ）に示されるように、電極母材４０の先端部４００の外面４００ａを調整治具６０により叩くことで、接地電極１４の電極チップ４１と中心電極１３との間に形成される隙間である火花ギャップ１９の大きさが調整される。

次に、本実施形態のスパークプラグ１０の作用及び効果について説明する。
ハウジング１１と接地電極１４との接合方法としては、例えば図６に示されるように、ハウジング１１の先端面１１３に対して接地電極１４の電極母材４０の端面４０２を抵抗溶接により接合する方法が考えられる。このような方法でハウジング１１と接地電極１４とを接合した場合、特に電極母材４０の基端部４０１の内周部分４０１ａで内部応力が残留し易い。

具体的には、図５（Ａ）～（Ｃ）に示される製造工程を経て接地電極１４を成形する場合、曲げローラ５１及び調整治具６０により接地電極１４の先端部４００に外力が付与されることにより、接地電極１４の電極母材４０の基端部４０１には力が加わる。詳しくは、図６に示されるように、電極母材４０の基端部４０１の外周部分には伸長方向の力Ｆ１、換言すれば電極母材４０の端面４０２がハウジング１１の先端面１１３から引き剥がされる方向の力が加わる。この伸長方向の力Ｆ１により電極母材４０の基端部４０１の外周部分が伸びるように変形すると、電極母材４０の基端部４０１の内周部分には圧縮方向の力Ｆ２、換言すれば電極母材４０の端面４０２がハウジング１１の先端面１１３に向かう方向の力が発生する。この圧縮方向の力Ｆ２により電極母材４０の基端部４０１の内周部分４０１ａには応力が残留する。この残留応力に起因して電極母材４０にクリープ現象が発生すると、図７に示されるように、接地電極１４が中心電極１３に近づく方向に傾くように変形することにより火花ギャップ１９が狭くなるおそれがある。

この点、本実施形態のスパークプラグ１０では、図３に示されるように、溶接部１１４を介して溝部１１１の外壁部１１１ａと接地電極１４の電極母材４０の基端部４０１とが接合されているため、溶接部１１４により接地電極１４の基端部４０１の外周部分が支持されている。これにより、仮に曲げ工程及びギャップ調整工程において電極母材４０の基端部４０１の外周部分に伸長方向の力Ｆ１が加わったとしても、その力の方向に電極母材４０の基端部４０１が変形し難くなる。したがって、電極母材４０の基端部４０１の内周部分には、図６に示されるような圧縮方向の力Ｆ２が加わり難くなるため、その部分に残留応力が発生し難くなる。結果的に、クリープ現象に起因する接地電極１４の変形を抑制することができる。

なお、上記実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
・図８に示されるように、溝部１１１の外壁部１１１ａと接地電極１４の電極母材４０の基端部４０１とは複数の溶接部１１４を介して互いに接合されていてもよい。これにより、複数の溶接部１１４により接地電極１４の基端部４０１の外周部分が更に的確に支持されるため、電極母材４０の基端部４０１の内周部分に圧縮方向の力Ｆ２が更に加わり難くなる。結果的に、クリープ現象に起因する接地電極１４の変形を一層抑制することができる。

・本開示は上記の具体例に限定されるものではない。上記の具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素、及びその配置、条件、形状等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

１０：スパークプラグ
１１：ハウジング
１２：絶縁碍子（絶縁体）
１３：中心電極
１４：接地電極
１１１：溝部
１１１ａ：外壁部
１１４：溶接部

Claims (2)

1. 筒状の絶縁体（１２）に挿入される中心電極（１３）と、
   前記絶縁体の外周に設けられる筒状のハウジング（１１）と、
   前記ハウジングの先端部に接合される接地電極（１４）と、を備え、
   前記ハウジングの先端部には、外壁部（１１１ａ）を有し、且つ前記ハウジングの内周面及び先端面に開口する凹状の溝部（１１１）が形成され、
   前記接地電極の基端部は、前記溝部に挿入され、
   前記溝部の外壁部には、当該外壁部から前記接地電極の外周面を貫通して前記接地電極の内部まで延びるように溶接部（１１４）が形成され、
   前記接地電極の基端部は、前記溶接部を介して前記溝部の外壁部に接合されている
   スパークプラグ。
2. 前記溝部の外壁部には、前記溶接部が複数形成されている
   請求項１に記載のスパークプラグ。

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