JP2022163570A - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁碍子を損傷し難く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１０は、内部に軸孔１２０が形成される絶縁碍子１２と、軸孔１２０に挿入される中心電極１３とを備える。軸孔１２０は、シール体１５が収容される第１孔部２０と、第１孔部に対して絶縁碍子の先端部側に配置される第２孔部２１と、第１孔部及び第２孔部の間に位置するテーパ孔部２２と、を有する。中心電極１３は、本体部３０と、本体部の基端部に設けられる鍔部３１と、軸孔１２０のテーパ孔部２２の内壁面に対向するテーパ部３２と、を有する。テーパ部３２には、本体部３０の外径よりも大きく、且つ鍔部３１の外径よりも小さい外径を有する段差部３２３が形成されている。【選択図】図２

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筒状のハウジングと、ハウジングの下端面に固定される接地電極とを備えている。中心電極の基端部には、他の部分よりも大きい外径を有する鍔部が形成されている。この鍔部が、絶縁碍子の内周面に形成される段差面に接触することにより、絶縁碍子に対して中心電極が位置決めされている。

特許第４３５３０８０号公報

スパークプラグには、絶縁碍子の内部にシール体及び抵抗体が収容されているものがある。具体的には、絶縁碍子の内部には、中心電極の鍔部が配置されている部分から絶縁碍子の基端部に向かって第１シール体、抵抗体、第２シール体が順に積層して配置される。第２シール体には端子金具の先端部が圧入される。端子金具の基端部には、高電圧を印加する外部回路が接続される。

このような構造を有するスパークプラグでは、その製造の際に、絶縁碍子の内部に中心電極を挿入した後、第１シール体の粉体を投入して加圧する工程、抵抗体の粉体を投入して加圧する工程、及び第２シール体の粉体を投入して加圧する工程が順に行われた後、端子金具の先端部を加熱しつつ第２シール体に圧入する工程が行われる。このような工程を経てスパークプラグが製造されるため、中心電極の鍔部には絶縁碍子の段差面に向かう方向、換言すればスパークプラグの先端に向かう方向の力が加わる。この力により絶縁碍子の段差面はスパークプラグの先端に向かう方向に引っ張られるため、絶縁碍子の段差面の周辺には応力が残留する。このような残留応力は絶縁碍子に割れ等の損傷を発生させる要因となるため、好ましくない。

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、絶縁碍子を損傷し難く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、内部に軸孔（１２０）が形成される筒状の絶縁碍子（１２）と、絶縁碍子の先端部から突出するように軸孔に挿入されて保持される中心電極（１３）と、中心電極と所定の隙間を有して配置されて、中心電極への電圧の印加に基づき中心電極との間に火花放電を形成する接地電極（１４）と、軸孔の内部において中心電極の基端部の周囲に配置されるシール体（１５）と、を備える。軸孔は、シール体が収容される第１孔部（２０）と、第１孔部に対して絶縁碍子の先端部側に配置されて、第１孔部よりも小さい内径を有する第２孔部（２１）と、第１孔部及び第２孔部の間に位置し、絶縁碍子の先端部に向かうほど内径が小さくなるように形成されるテーパ状の内壁面を有するテーパ孔部（２２）と、を有する。中心電極は、第２孔部に挿入される本体部（３０）と、本体部の基端部に設けられて、本体部よりも大きい外径を有するとともに、第１孔部の内部に配置される鍔部（３１）と、本体部と鍔部との間に配置されて、軸孔のテーパ孔部の内壁面に対向するテーパ状の外壁面を有するテーパ部（３２）と、を有する。テーパ部には、本体部の外径よりも大きく、且つ鍔部の外径よりも小さい外径を有する段差部（３２３，３２４）が形成されている。

この構成のように中心電極のテーパ部に段差部を形成すれば、テーパ部に、テーパ孔部の内周面に接触する接触部位と、テーパ孔部の内周面から離間して配置される離間部位とを設けることができる。この場合、中心電極のテーパ部の離間部位と絶縁碍子のテーパ孔部の内壁面との間にシール体が挟み込まれて配置されるため、そのような構造を有していないスパークプラグと比較すると、中心電極のテーパ部から絶縁碍子のテーパ孔部の内壁面に加わる力を低減することができる。結果的に、絶縁碍子のテーパ孔部の内壁面に作用する応力を低減することができるため、絶縁碍子を損傷し難くすることができる。

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、絶縁碍子を損傷し難くすることができる。

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、実施形態のスパークプラグにおける中心電極の基端部周辺の断面構造を示す断面図である。 図３は、実施形態のスパークプラグの製造工程の一部を示す断面図である。 図４は、参考例のスパークプラグの製造工程の一部を示す断面図である。 図５は、他の実施形態のスパークプラグにおける中心電極の基端部周辺の断面構造を示す断面図である。 図６は、他の実施形態のスパークプラグにおける中心電極の基端部周辺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は例えば内燃機関のシリンダ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内燃機関のシリンダ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。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１２１から基端部１２２を貫通するように形成されている。軸孔１２０には、先端部１２１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が挿入されている。

中心電極１３は電極母材１３０と電極チップ１３１とを有している。電極母材１３０は中心軸ｍ１０を中心に円柱状に形成されている。電極母材１３０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。具体的には、電極母材１３０の内材は銅により形成され、その外材はニッケル合金により形成されている。電極チップ１３１は電極母材１３０の先端部に接合されている。電極チップ１３１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１３１は、高融点で耐消耗性に優れたイリジウム（Ｉｒ）を主材料として、イリジウムの高温揮発性を抑制するためにロジウム（Ｒｈ）を含むイリジウム合金等により形成されている。

第１シール体１５は中心電極１３と抵抗体１６との間に配置されている。第１シール体１５は中心電極１３の基端部の周囲に配置されている。第１シール体１５は、ガラスに銅等の金属粉末を混入させることで形成される導電性ガラス粉末の焼結体からなる。第１シール体１５は軸孔１２０の内壁面と密着することにより軸孔１２０内の気密性を確保している。第１シール体１５の先端部は中心電極１３に接触しており、第１シール体１５の基端部は抵抗体１６に接触している。中心電極１３及び抵抗体１６は第１シール体１５を介して電気的に接続されている。

抵抗体１６は第１シール体１５と第２シール体１７との間に配置されている。抵抗体１６は、ガラスに炭素（カーボン）等の抵抗材粉末を混入させた抵抗体組成粉末を焼結させた焼結体からなる。抵抗体１６は、スパークプラグ１０の火花放電に起因して生じる電波ノイズがスパークプラグ１０の外部に伝達することを抑制する。中心軸ｍ１０に沿った方向における抵抗体１６の抵抗率は第１シール体１５及び第２シール体１７のそれぞれの抵抗率よりも大きい。

第２シール体１７は抵抗体１６と端子金具１８との間に配置されている。第２シール体１７も、第１シール体１５と同様に導電性ガラス粉末の焼結体からなり、軸孔１２０の内壁面と密着することにより軸孔１２０の気密性を確保している。第２シール体１７の先端部は抵抗体１６に接触しており、第２シール体１７の基端部は端子金具１８に接触している。端子金具１８及び抵抗体１６は第２シール体１７を介して電気的に接続されている。

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は例えば鋼材により構成されている。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１４０と電極チップ１４１とを有している。電極母材１４０はニッケル合金等により形成されている。電極母材１４０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１３１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１４１は電極母材１４０の先端部に接合されている。電極チップ１４１は、イリジウム合金や白金合金等の貴金属合金、例えばＰｔ－２０Ｉｒ材等により形成されている。電極チップ１４１は、所定の隙間１９を有して中心電極１３の電極チップ１３１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１３１と接地電極１４の電極チップ１４１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１３１と接地電極１４の電極チップ１４１との間に火花放電が形成される。この火花放電により内燃機関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、中心電極１３の基端部と絶縁碍子１２との接触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、絶縁碍子１２の軸孔１２０は、第１孔部２０と、第２孔部２１と、テーパ孔部２２とを有している。第１孔部２０は、軸孔１２０において第１シール体１５が収容されている部分である。第２孔部２１は、第１孔部２０に対して絶縁碍子１２の先端部１２１側に配置されている。第２孔部２１は、第１孔部２０よりも小さい内径を有している。テーパ孔部２２は、軸孔１２０において第１孔部２０と第２孔部２１との間に配置されている部分である。テーパ孔部２２は、絶縁碍子１２の先端部１２１に向かうほど内径が小さくなるように形成されるテーパ状の内壁面を有している。

中心電極１３の電極母材１３０は、本体部３０と、鍔部３１と、テーパ部３２とを有している。
本体部３０は、電極母材１３０において第２孔部２１に挿入されている部分である。

鍔部３１は、電極母材１３０において本体部３０の基端部に設けられている部分である。鍔部３１は、本体部３０よりも大きい外径を有しており、第１孔部２０の内部に配置されている。鍔部３１の外壁面と第１孔部２０の内壁面との間には第１シール体１５が配置されている。

テーパ部３２は、電極母材１３０において本体部３０と鍔部３１との間に配置されている部分である。テーパ部３２は、軸孔１２０のテーパ孔部２２の内壁面に対向するテーパ状の外壁面を有している。図中に拡大して示されるように、テーパ部３２には、本体部３０の外径よりも大きく、且つ鍔部３１の外径よりも小さい段差部３２３が形成されている。以下では、テーパ部３２において、段差部３２３よりも本体部３０側に配置されている部分を接触部位３２１と称し、段差部３２３よりも鍔部３１側に配置されている部分を離間部位３２２と称する。離間部位３２２とテーパ孔部２２の内壁面との間には第１シール体１５が挟み込まれるように配置されている。テーパ部３２において接触部位３２１と離間部位３２２との間に設けられる角部はＲ形状に形成されている。同様に、テーパ部３２の接触部位３２１と本体部３０との間に設けられる角部、及びテーパ部３２の離間部位３２２と鍔部３１との間に設けられる角部もＲ形状に形成されている。

次に、本実施形態のスパークプラグ１０の製造工程の一部、具体的には絶縁碍子１２の軸孔１２０に中心電極１３及び第１シール体１５を組み付ける工程について説明する。
絶縁碍子１２に中心電極１３及び第１シール体１５を組み付ける際には、まず、絶縁碍子１２の基端部１２２の開口部分から軸孔１２０の内部に中心電極１３を挿入する。これにより、中心電極１３のテーパ部３２の接触部位３２１が絶縁碍子１２のテーパ孔部２２の内壁面に接触するとともに、その状態で中心電極１３が絶縁碍子１２の軸孔１２０の内部で保持される。

続いて、図３に示されるように、第１シール体１５に対応する粉体を絶縁碍子１２の基端部１２２の開口部分から軸孔１２０の内部に投入した後、第１シール体１５に対応する粉体を、加圧ピン５０を用いて加圧する。
このように加圧ピン５０により第１シール体１５が加圧されることにより、中心電極１３の鍔部３１には絶縁碍子１２の先端部１２１に向かう方向の力が加わる。この力により、中心電極１３のテーパ部３２が絶縁碍子１２のテーパ孔部２２の内壁面に押し付けられるため、絶縁碍子１２のテーパ孔部２２の内壁面に応力が発生する。このとき、本実施形態のスパークプラグ１０では、中心電極１３のテーパ部３２が段付き状に形成されているため、図４に示されるように中心電極１３のテーパ部３２が段付き状に形成されていない参考例のスパークプラグ１００と比較すると、絶縁碍子１２に加わる応力を軽減することができる。

具体的には、図４に示される参考例のスパークプラグ１００のように中心電極１３のテーパ部３２が段付き状に形成されていない場合、中心電極１３のテーパ部３２の外壁面がそのまま絶縁碍子１２のテーパ孔部２２の内壁面に接触する。この場合、加圧ピン５０により第１シール体１５を加圧した際に中心電極１３の鍔部３１に加わる力により、中心電極１３のテーパ部３２から絶縁碍子１２のテーパ孔部２２の内壁面に図中の力Ｆ１０が加わる。これにより、絶縁碍子１２のテーパ孔部２２と第１孔部２０との境界に形成される角部２３を支点としてテーパ孔部２２の内壁面が下方に向かって引っ張られるため、テーパ孔部２２の内壁面において角部２３の周辺に位置する部位に引っ張り応力Ｆ２１が発生するとともに、第１孔部２０において角部２３の周辺に位置する部位に引っ張り応力Ｆ２２が発生する。このような引っ張り応力Ｆ２１，Ｆ２２は絶縁碍子１２に損傷を生じさせる要因となる。

この点、本実施形態のスパークプラグ１０では、テーパ部３２に接触部位３２１及び離間部位３２２が形成されている。そのため、中心電極１３のテーパ部３２から絶縁碍子１２のテーパ孔部２２の内壁面に加わる力Ｆ１０は、テーパ部３２の接触部位３２１からテーパ孔部２２の内壁面に加わる力Ｆ１１と、テーパ部３２の離間部位３２２から第１シール体１５に加わる力Ｆ１２とに分力される。すなわち、「Ｆ１０＝Ｆ１１＋Ｆ１２」となる。

力Ｆ１２により第１シール体１５に印加される仕事量は、第１シール体１５を構成する粒子同士の摩擦による熱や粒子の塑性変形等を生じさせるエネルギとして消費される。このエネルギの消費の分だけ、力Ｆ１２に基づいて絶縁碍子１２のテーパ孔部２２の内壁面に実際に加わる力は減少する。すなわち、係数αを「α＜１」と定義すると、中心電極１３のテーパ部３２から絶縁碍子１２のテーパ孔部２２の内壁面に加わる力は「Ｆ１１＋α×Ｆ１２」となり、上記の力Ｆ１０よりも低下する。これにより、角部２３を起点に第２孔部２１及びテーパ孔部２２のそれぞれの内周面に発生する引っ張り応力を低減することができるため、絶縁碍子１２のロバスト性を向上させることができる。

このように、本実施形態のスパークプラグ１０では、中心電極１３のテーパ部３２に、本体部３０の外径よりも大きく、且つ鍔部３１の外径よりも小さい外径を有する段差部３２３が形成されている。これにより、テーパ部３２に、テーパ孔部２２の内壁面に接触する接触部位３２１と、テーパ孔部２２の内壁面から離間して配置される離間部位３２２とを設けることができる。この構成により、中心電極１３のテーパ部３２の離間部位３２２とテーパ孔部２２の内壁面との間に第１シール体１５が挟み込まれて配置されるため、そのような構造を有していない参考例のスパークプラグ１００と比較すると、中心電極１３のテーパ部３２から絶縁碍子１２のテーパ孔部２２の内壁面に加わる力を低減することができる。結果的に、中心電極１３から絶縁碍子１２のテーパ孔部２２の内壁面に作用する応力を低減することができるため、絶縁碍子１２を損傷し難くすることができる。

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。
・中心電極１３のテーパ部３２の形状は適宜変更可能である。例えばテーパ部３２は、図５に示されるように外径の異なる複数の段差部３２３，３２４を有する多段状に形成されていてもよい。

・中心電極１３のテーパ部３２を多段状に形成するという方法に代えて、例えば図６に示されるように、中心電極１３の鍔部３１に、その外径を部分的に大きくした拡径部３１０を形成してもよい。拡径部３１０の外周面は湾曲している。このような構成であっても、図２に示されるスパークプラグ１０と同一又は類似の作用及び効果を奏することが可能である。

・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
１２：絶縁碍子
１３：中心電極
１４：接地電極
１５：シール体
２０：第１孔部
２１：第２孔部
２２：テーパ孔部
３０：本体部
３１：鍔部
３２：テーパ部
１２０：軸孔
３２３，３２４：段差部

Claims (2)

1. 内部に軸孔（１２０）が形成される筒状の絶縁碍子（１２）と、
   前記絶縁碍子の先端部から突出するように前記軸孔に挿入されて保持される中心電極（１３）と、
   前記中心電極と所定の隙間を有して配置されて、前記中心電極への電圧の印加に基づき前記中心電極との間に火花放電を形成する接地電極（１４）と、
   前記軸孔の内部において前記中心電極の基端部の周囲に配置されるシール体（１５）と、を備え、
   前記軸孔は、
   前記シール体が収容される第１孔部（２０）と、
   前記第１孔部に対して前記絶縁碍子の先端部側に配置されて、前記第１孔部よりも小さい内径を有する第２孔部（２１）と、
   前記第１孔部及び前記第２孔部の間に位置し、前記絶縁碍子の先端部に向かうほど内径が小さくなるように形成されるテーパ状の内壁面を有するテーパ孔部（２２）と、を有し、
   前記中心電極は、
   前記第２孔部に挿入される本体部（３０）と、
   前記本体部の基端部に設けられて、前記本体部よりも大きい外径を有するとともに、前記第１孔部の内部に配置される鍔部（３１）と、
   前記本体部と前記鍔部との間に配置されて、前記軸孔の前記テーパ孔部の内壁面に対向するテーパ状の外壁面を有するテーパ部（３２）と、を有し、
   前記テーパ部には、前記本体部の外径よりも大きく、且つ前記鍔部の外径よりも小さい外径を有する段差部（３２３，３２４）が形成されている
   スパークプラグ。
2. 前記テーパ部には、外径の異なる複数の前記段差部が形成されている
   請求項１に記載のスパークプラグ。

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