JP4546753B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は、中心電極が挿設された絶縁碍子を保持する主体金具の表面上にめっき層を形成した内燃機関用のスパークプラグに関するものである。

従来、内燃機関には点火のためのスパークプラグが用いられている。一般的なスパークプラグは、中心電極が挿設された絶縁碍子を保持する主体金具と、この主体金具の先端部に溶接された接地電極を有しており、この接地電極の他端部と、中心電極の先端部とが対向して火花放電ギャップを形成している。そして、中心電極と接地電極との間で火花放電が行われる。

ところで、このようなスパークプラグは、特許文献１のように、主体金具に形成された係合部の外周面とエンジンヘッドに設けられた取付孔の内周面とが係合するように主体金具の係合部が取付孔に挿入され、エンジンヘッドに取り付けられる。そして、中心電極先端部の熱が絶縁碍子を介して主体金具に伝熱され、さらに主体金具の係合部からエンジンヘッドに向けて放熱されるようになっている。
特開２００２−８３６６１号公報

近年、スパークプラグの小型化の傾向に伴って、絶縁碍子および主体金具にかかる熱負荷が高くなってきている。この絶縁碍子および主体金具の熱負荷を軽減するためには、中心電極先端部の熱をエンジンヘッドに向かって放熱する放熱性の向上が要求され、そのためには主体金具とエンジンヘッドとの間に高い密着性が要求される。

ところが、エンジン駆動後、エンジンヘッドの取付孔と主体金具の係合部との間に間隙ができることがあった。これは、一般に、エンジンヘッドは、軽量化および自身の熱の放熱性向上のために、アルミニウムを主成分とする合金から形成される。一方、スパークプラグの主体金具は、絶縁碍子の保持や主体金具の強度等を考慮し、Ｓ１０Ｃ（ＪＩＳ規格）やＳ１５Ｃというような鋼鉄材料を使用している。よってアルミニウムからなるエンジンヘッドの熱膨張率は、鋼鉄材料からなる主体金具の熱膨張率よりも大きいので、スパークプラグの温度が上がるにつれて、エンジンヘッドの取付孔の熱膨張と主体金具の熱膨張とに違いが生じ、間隙が生じると考えられる。つまり、スパークプラグの中心電極先端部が高温になればなるほど、エンジンヘッドと主体金具の係合部との密着性が低下し、スパークプラグからエンジンヘッドへの放熱性が低下し、スパークプラグの絶縁碍子および主体金具に熱負荷がかかる虞があった。

また、主体金具の係合部が、該係合部の外周面を雄ねじ状に形成されたねじ部を有するスパークプラグがある。このスパークプラグは、エンジンヘッドの取付孔に形成された雌ねじ部と上記ねじ部とにより、エンジンヘッドと主体金具とが螺合することで、エンジンヘッドに取り付けられる。しかしながら、アルミニウムからなるエンジンヘッドの熱膨張率は、鋼鉄材料からなる主体金具の熱膨張率よりも大きいので、スパークプラグの温度が上がるにつれて、エンジンヘッドの取付孔の熱膨張と主体金具の熱膨張とに違いが生じ、螺合して取り付いたエンジンヘッドと主体金具とが緩むことがある。これにより、エンジンヘッドと主体金具の係合部との密着性が低下し、スパークプラグからエンジンヘッドへの放熱性が低下し、スパークプラグの絶縁碍子および主体金具に熱負荷がかかる虞があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、スパークプラグが高温になったとしても、スパークプラグの絶縁碍子および主体金具にかかる熱負荷を低減することができるスパークプラグを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明のスパークプラグは、中心電極と、軸線方向に貫通する軸孔を有し、その軸孔の先端側で前記中心電極を保持する絶縁碍子と、前記絶縁碍子の径方向周囲を取り囲みつつ、該絶縁碍子を保持する鋼鉄材料からなる主体金具を備えたスパークプラグであって、前記主体金具は、前記スパークプラグをエンジンヘッドに組み付けた際に、そのエンジンヘッドに係合する雄ねじ状のねじ部を有し、少なくとも前記ねじ部の表面上には、前記主体金具のその他の表面上よりも厚く、かつ、１０μｍ以上、３００μｍ以下の厚みを有し、亜鉛を主成分とする金属層が形成されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明のスパークプラグは、少なくとも主体金具のねじ部の表面上に、亜鉛を主成分とする金属層を形成した。これにより、エンジンヘッドのアルミニウムおよび主体金具の鋼鉄材料よりも熱膨張率が大きい亜鉛または亜鉛を主成分とする合金からなる金属層が、スパークプラグをエンジンヘッドに取り付けた際に、エンジンヘッドの雌ねじ部と主体金具のねじ部とに挟まれた状態となる。そして、スパークプラグの温度が上昇しても、金属層が熱膨張することで、螺合により取り付いたエンジンヘッドと主体金具とが緩むことがなくなり、エンジンヘッドの雌ねじ部と主体金具のねじ部との密着性が維持される。よって、スパークプラグからエンジンヘッドへの放熱性が維持され、スパークプラグの絶縁碍子および主体金具にかかる熱負荷を低減することができる。なお、金属層は、主体金具のねじ部の表面上にのみ形成してもよいし、主体金具全体の表面上に形成してもよい。

さらに、この金属層の厚みを、１０μｍ以上３００μｍ以下となるように構成した。これにより、スパークプラグの温度が上昇しても、金属層により十分にエンジンヘッドと主体金具とが緩むことがなくなり、エンジンヘッドの雌ねじ部と主体金具のねじ部との密着性が維持される。よって、スパークプラグの絶縁碍子および主体金具にかかる熱負荷を低減することができる。なお、金属層の厚みが１０μｍ未満であると、上記効果を得ることができず、エンジンヘッドと主体金具とが緩むことがある。一方、金属層の厚みが３００μｍを越えると、エンジンヘッドの雌ねじ部と主体金具のねじ部とに挟まれた金属層自身がエンジンヘッドと主体金具との螺合を邪魔し、スパークプラグのエンジンヘッドへの組み付けが難しくなることがある。

以下、本発明を具体化したスパークプラグの一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、図１を参照して、第１の実施の形態におけるスパークプラグの一例としてのスパークプラグ１００の構造について説明する。図１は、第１の実施の形態のスパークプラグ１００の部分断面図である。なお、図１に示す軸線Ｏ方向（図中一点鎖線Ｏで示す）において、中心電極２が設けられた側をスパークプラグ１００の先端側とし、端子金具４が設けられた側を後端側として説明する。

図１に示すように、スパークプラグ１００は、概略、絶縁体を構成する絶縁碍子１と、この絶縁碍子１を保持する主体金具５と、絶縁碍子１内に軸線Ｏ方向に延びるようにして保持された中心電極２と、主体金具５の先端面５７に一端部６２を溶接され、他端部６１が中心電極２の先端部２２に対向する接地電極６０と、絶縁碍子１の後端部に設けられた端子金具４とから構成されている。

まず、このスパークプラグ１００の絶縁体を構成する絶縁碍子１について説明する。絶縁碍子１は筒形状を有し、周知のようにアルミナ等を焼成して形成される。この絶縁碍子１の先端部（軸線Ｏ方向における先端側の端部）には、内燃機関の燃焼室に曝される脚長部１３が設けられている。また、絶縁碍子１の軸中心には軸線Ｏ方向に延びる軸孔１２が形成される。

中心電極２は、インコネル（商標名）６００または６０１等のニッケル系合金等で形成され、内部に熱伝導性に優れる銅等からなる金属芯２３を有している。中心電極２の先端部２２は絶縁碍子１の先端面から突出している。また、中心電極２は、軸孔１２の内部に設けられたシール体１４および抵抗体３を経由して、上方の端子金具４に電気的に接続されている。そして端子金具４には高圧ケーブル（図示外）がプラグキャップ（図示外）を介して接続され、外部回路より高電圧が印加されるようになっている。

次に、主体金具５について説明する。主体金具５は絶縁碍子１を保持し、エンジンヘッド４０（図３参照）にスパークプラグ１００を固定するための円筒状の金具である。主体金具５は絶縁碍子１を取り囲むようにして保持している。主体金具５はＳ１０Ｃ（ＪＩＳ規格）やＳ１５Ｃ等の低炭素鋼材（熱膨張率１２〜１５×１０^−６／Ｋ）で形成され、図示外のスパークプラグレンチが嵌合する工具係合部５１と、エンジンヘッド４０の雌ねじ部４３（図３参照）に螺合する雄ねじ部５２とを備えている。なお、雄ねじ部５２が、本発明における「ねじ部」に相当する。

さらに、主体金具５は工具係合部５１の後端側にかしめ部５３を有している。そのかしめ部５３をかしめることにより、板パッキン８を介して絶縁碍子１が主体金具５の段部５６に支持されて、主体金具５と絶縁碍子１とが一体にされる。かしめによる密閉を完全なものとするため、主体金具５と絶縁碍子１との間に環状のリング部材６，７が介在され、リング部材６，７の間にはタルク（滑石）９の粉末が充填されている。また、主体金具５の中央部には鍔部５４が形成され、雄ねじ部５２の後端側近傍、すなわち鍔部５４の座面５５にはガスケット１０（薄板を折りたたんだ環状のパッキン）が嵌挿されている。

次に、接地電極６０について説明する。接地電極６０は耐腐食性の高い金属から構成され、一例として、インコネル（商標名）６００または６０１等のニッケル合金が用いられる。この接地電極６０は、自身の長手方向の横断面が略長方形を有しており、一端部６２が主体金具５の先端面５７に溶接により接合されている。また、接地電極６０の他端部６１は、中心電極２の先端部２２に対向するように屈曲されている。

図２は、スパークプラグ１００の雄ねじ部５２の拡大断面図である。図２に示すように、スパークプラグ１００の主体金具５の表面上に亜鉛めっき層５０（熱膨張率は約３０×１０^−６／Ｋ）が形成されている。また、膜厚が１００μｍに形成されている。なお、亜鉛めっき層５０が、本発明における「金属層」に相当する。

このスパークプラグ１００は、次のように製造する。ただし、本実施の形態の要部の製造方法を中心に説明し、公知部分については、説明を省略または簡略化する。

まず、主原料にアルミナを使用し、高温で所定の形状に焼成することによって絶縁碍子１を形成する。また、鋼鉄材料を使用し、所定の形状に塑性加工することによって、主体金具５を形成する。この際、主体金具５に工具係合部５１、雄ねじ部５２、かしめ部５３および鍔部５４を所定の形状に作成している。次いで、ニッケル系合金からなる棒状の中心電極２、接地電極６０を作成する。なお、中心電極２の形成時には、金属芯２３を挿入して形成している。

そして、接地電極６０を主体金具５の先端面に抵抗溶接等を用いて接合し、接地電極６０付き主体金具５を形成する。そして、この接地電極６０付き主体金具５に公知のバレルめっき装置を用いて電気めっき処理を行い、接地電極６０付き主体金具５に亜鉛めっき層５０を形成する。

次に、公知の手法により中心電極２、端子金具４等が固設された絶縁碍子１を、接地電極６０付き主体金具５に組み付ける。そして、接地電極６０が中心電極２の先端部２２に対向するように、接地電極６０を曲げ、図１に示すような、内燃機関用スパークプラグ１００が完成する。

このスパークプラグ１００は、内燃機関のエンジンヘッド４０に組み付けられて使用される。図３は、スパークプラグ１００をエンジンヘッド４０に組み付けた状態を示す縦断面図である。

エンジンヘッド４０は、ＪＩＳ Ｈ ４１４０（２００１年）に記載されたアルミニウム合金・Ａ２０１８や、アルミニウム合金・Ａ４０３２や、ＪＩＳ Ｈ ５２０２（２００１年）に記載されたアルミニウム合金・ＡＣ４Ｂや、アルミニウム合金・ＡＣ４Ｃ、アルミニウム合金・ＡＣ４Ｄ等からなるアルミニウム合金（熱膨張率２３〜２４×１０^−６／Ｋ）で構成され、図３に示すように、スパークプラグ１００を取り付けるためのプラグ孔４１が形成されている。プラグ孔４１には雌ねじ部４３が形成され、プラグ孔４１により外部と燃焼室４２内を連結している。

そして、エンジンヘッド４０のプラグ孔４１に、ガスケット１０がエンジンヘッド４０に当接するまでスパークプラグ１００をねじ込むと、接地電極６０および中心電極２の先端部２２がエンジンの燃焼室４２内に露出する。このとき、主体金具５は、雄ねじ部５２にてエンジンヘッド４０のプラグ孔４１の雌ねじ部４３に螺合する。雄ねじ部５２の表面には亜鉛めっき層５０（図２参照）が形成されており、エンジンヘッド４０は、亜鉛めっき層５０を間に挟み、主体金具５に密接する。

このように、スパークプラグ１００の主体金具５の雄ねじ部５２の表面上に、亜鉛を主成分とする、厚みが１０μｍ以上、３００μｍ以下の亜鉛めっき層５０を形成した。これにより、亜鉛めっき層５０がエンジンヘッド４０の雌ねじ部４３と主体金具５の雄ねじ部５２とに挟まれた状態となる。すると、スパークプラグ１００の温度が上昇しても、亜鉛めっき層５０が熱膨張することで、エンジンヘッド４０と主体金具５との螺合が緩むことがなくなり、エンジンヘッド４０の雌ねじ部４３と主体金具５の雄ねじ部５２との密着性が維持される。よって、スパークプラグ１００からエンジンヘッド４０への放熱性が維持され、スパークプラグ１００の絶縁碍子１および主体金具５にかかる熱負荷を低減することができる。

［実施例１］
次に、エンジンヘッド４０と主体金具５との密着状態を効果的に維持することができるように、亜鉛めっき層５０の厚みを確認するための評価試験を行った。以下、図４，図５を参照し、評価試験の方法およびその結果について説明する。図４は、亜鉛めっき層５０の厚みの測定を行う方法を説明するための図である。図５は、亜鉛めっき層５０の厚みによる密着性に対する評価試験の結果を示す表である。

まず、評価試験を行うにあたり、ねじ径がＭ１４のスパークプラグ１００を用意した。このスパークプラグ１００の主体金具５の材料としてＳ１０Ｃを用いた。また、主体金具５の雄ねじ部５２の軸方向の長さを１９ｍｍとした。

そして評価試験では、亜鉛めっき層５０の厚みが異なる８つのサンプルのそれぞれに対し、ねじの強度、熱間緩み、耐熱性についての評価を行った。ねじの強度についての評価は、エンジンヘッド４０を模したアルミニウム合金（ＡＣ４Ｃ）製のブッシュに主体金具５を取り付ける際の締め付けにおいて、雄ねじ部５２が破損、または主体金具５が破断したときのトルクによって評価した。締め付けトルクが７．０Ｋｇ・ｍ未満で雄ねじ部５２の破損または主体金具５の破断が発生したとき、亜鉛めっきを施すことによって主体金具５の強度が低下したと判断して、「×」と評価した。また、締め付けトルクが７．０Ｋｇ／ｍ以上で雄ねじ部５２の破損が発生したとき、亜鉛めっきを施すことによって主体金具５の強度がやや低下したと判断して、「△」と評価した。そして、締め付けトルクが７．０Ｋｇ／ｍ以上で主体金具５の破断が発生したとき、亜鉛めっきを施しても主体金具５の強度は保たれたと判断して、「○」と評価した。

熱間緩みについての評価は、ねじ強度試験と同じエンジンヘッド４０を模したアルミニウム合金製のブッシュに主体金具５を規定トルク（１．５ｋｇ・ｍ）で締め付け、約５０〜２００℃の熱と、５０〜５００Ｈｚの振動とを印加した後に主体金具５を取り外し、そのときの緩めトルクを測定して評価を行った。加熱は、常温（２５℃）から３０分かけて昇温し、２００℃で３０分固定の後、６０分かけて常温に降温させる熱サイクルを繰り返した。加振は、１分間で５０Ｈｚから５００Ｈｚにし、次の１分間で５００Ｈｚから５０Ｈｚにする処理を行い、これを１サイクルとして繰り返すことによって行った。このとき、主体金具５における軸線Ｏ方向と、軸線Ｏ方向と直交する方向とのそれぞれに８時間、振動を印加した。

締め付けトルクに対する緩めトルクが９０％以上であった場合、緩みによる影響はないと判断して、「☆」と評価した。締め付けトルクに対する緩めトルクが８０％以上、９０％未満であった場合、緩みによる影響はほとんどないと判断して、「○」と評価した。締め付けトルクに対する緩めトルクが７０％以上、８０％未満であった場合、緩みによる影響があると判断して、「△」と評価した。そして、締め付けトルクに対する緩めトルクが７０％未満であった場合、締め付けが維持されないものと判断して、「×」と評価した。

耐熱性についての評価は、実機にて行った。エンジンとして４気筒１．６リットルのものを用いた。そして、エンジンを５５００ｒｐｍ・全負荷にて駆動し、スパークプラグ１００の点火時期を進めていったときに、プレイグニッション（過早着火）が発生した時期を測定して評価した。亜鉛めっき層５０の厚みが５μｍであるスパークプラグを基準に、進角が＋４°以上であった場合は耐熱性に問題ないと判断して、「☆」と評価した。進角が＋２°以上、＋４°未満であった場合、耐熱性は保たれると判断して、「○」と評価した。進角が＋０°以上、＋２°未満であった場合、耐熱性に問題有りと判断して、「△」と評価した。そして、進角が＋０°未満であった場合、耐熱性に劣ると判断して、「×」と評価した。

そして、上記３つの評価のうち、１つでも「△」または「×」と評価されれば、亜鉛めっき層５０の厚みは不十分であると判断し、総合評価としては「△」または「×」と評価した。

また、主体金具５の表面上に形成した亜鉛めっき層５０の厚みについて、以下のように測定した。めっき厚の測定には、セイコー電子社製、蛍光Ｘ線膜厚計（ＳＦＴ３０００）を利用した。図４に示すように、スパークプラグ１００の主体金具５の先端面５７より後端側に向かって略１０ｍｍ離れた位置で、主体金具５の雄ねじ部５２に向けて、軸線Ｏ方向に対して４５度の角度から蛍光Ｘ線を照射して測定を行った。このとき、蛍光Ｘ線のスポット径は直径０．２ｍｍとし、雄ねじ部５２のねじ山の略中央にスポットが当たるように、照射位置の微調整を行い測定した。

図５に示すように、亜鉛めっき層５０の厚みが０μｍ、すなわち、亜鉛めっきを施さなかった場合、ねじの強度については問題がなく「○」と評価されたが、熱間緩みと耐熱性についてはそれぞれ「×」，「×」と評価され、総合評価として「×」となった。亜鉛めっき層５０の厚みが５μｍであった場合、ねじの強度については問題がなく「○」と評価されたが、熱間緩みと耐熱性についてはそれぞれ「△」，「△」と評価され、総合評価として「△」となった。

亜鉛めっき層５０の厚みが１０μｍおよび２０μｍであった場合、ねじの強度、熱間緩み、耐熱性のいずれの面においても問題がなく「○」と評価され、総合評価として「○」となった。亜鉛めっき層５０の厚みを１００μｍとした場合、ねじの強度、耐熱性についてはそれぞれ「○」，「○」と評価された。そして、熱間緩みについては「☆」と評価された。総合評価としては「○」とした。亜鉛めっき層５０の厚みを３００μｍとした場合、ねじの強度については「○」と評価された。そして、熱間緩みおよび耐熱性についてはそれぞれ「☆」，「☆」と評価された。総合評価としては「○」とした。

亜鉛めっき層５０の厚みが５００μｍとした場合、ねじの強度については「△」と評価された。熱間緩み、耐熱性についてはそれぞれ「☆」，「☆」と評価された。このため、総合評価としては「△」とした。亜鉛めっき層５０の厚みが８００μｍの場合は、ねじの強度が「×」と評価された。熱間緩みや耐熱性に関しては試験を行うまでもなく、総合評価は「×」となった。

この結果から、亜鉛めっき層５０の厚みを１０μｍ以上、３００μｍ以下とするとよいことがわかった。

次に、第２の実施の形態のスパークプラグ２００について、図６〜図８を参照して説明する。図６は、第２の実施の形態のスパークプラグ２００の部分断面図である。図７は、スパークプラグ２００の差し込み部１５２の部分拡大断面図である。図８は、スパークプラグ２００をエンジンヘッド１４０に組み付けた状態を示す縦断面図である。

図６に示すように、第２の実施の形態のスパークプラグ２００の主体金具１０５には、雄ねじ部５２がなく、代わりに、エンジンヘッド１４０（図８参照）に形成された雌ねじの無いプラグ孔１４１に挿入される円筒状の差し込み部１５２が形成されている。従って、主体金具１０５には、工具係合部がなく、代わりに鍔部１５４が大きく突出されている。図８に示すように、この鍔部１５４をねじ１４４によりエンジンヘッド１４０に固定されるプラグ固定金具１４５により固定することにより、スパークプラグ２００がエンジンヘッド１４０に固定される。なお、差し込み部１５２が、本発明における「係合部」に相当する。

図７に示したように、このような雄ねじ部のないスパークプラグ２００においても、第１の実施の形態と同様に、主体金具１０５の表面上に亜鉛めっき層１５０を形成している。この亜鉛めっき１５０の厚みは１００μｍである。

このように、スパークプラグ２００の主体金具１０５の差し込み部１５２の表面上に、亜鉛を主成分とする、厚みが１０μｍ以上の亜鉛めっき層５０を形成した。これにより、亜鉛めっき層５０がエンジンヘッド１４０のプラグ孔１４１と主体金具１０５の差し込み部１５２とに挟まれた状態となる。すると、スパークプラグ２００の温度が上昇しても、亜鉛めっき層５０が熱膨張することで、エンジンヘッド１４０と主体金具１０５との間隙を埋める状態となり、エンジンヘッド１４０と主体金具１０５の差し込み部１５２との密着性が維持される。よって、スパークプラグ２００からエンジンヘッド１４０への放熱性が維持され、スパークプラグ２００の絶縁碍子１および主体金具１０５にかかる熱負荷を低減することができる。

なお、本発明は各種の変形が可能なことはいうまでもない。例えば、亜鉛めっき層の表面上に、三価クロムを主成分とするクロメート被膜層を形成してもよい。クロメート被膜層を形成することで、亜鉛めっき層を保護して耐食性を高めることができ、また、スパークプラグ１００の外観を見栄えよくすることができる。

また、第１，第２の実施の形態では、亜鉛めっき層５０，１５０をバレルめっきにより形成したため、主体金具５，１０５の全体に形成されたが、本発明に係るめっき厚を有する亜鉛めっき層は雄ねじ部５２，差し込み部１５２に形成すれば足り、他の部位には、従来のめっき厚（例えば５μｍ）の亜鉛めっき層を形成してもよい。

本発明は内燃機関に用いられるスパークプラグに適用することができる。

第１の実施の形態のスパークプラグ１００の部分断面図である。 スパークプラグ１００の雄ねじ部５２の拡大断面図である。 スパークプラグ１００をエンジンヘッド４０に組み付けた状態を示す縦断面図である。 亜鉛めっき層５０の厚みの測定を行う方法を説明するための図である。 亜鉛めっき層５０の厚みによる密着性に対する評価試験の結果を示す表である。 第２の実施の形態のスパークプラグ２００の部分断面図である。 スパークプラグ２００の差し込み部１５２の部分拡大断面図である。 スパークプラグ２００をエンジンヘッド１４０に組み付けた状態を示す縦断面図である。

１ 絶縁碍子
２ 中心電極
５，１０５ 主体金具
１２ 軸孔
５０，１５０ 亜鉛めっき層
５２ 雄ねじ部
１００，２００ スパークプラグ
１５２ 差し込み部

Claims (1)

1. 中心電極と、軸線方向に貫通する軸孔を有し、その軸孔の先端側で前記中心電極を保持する絶縁碍子と、前記絶縁碍子の径方向周囲を取り囲みつつ、該絶縁碍子を保持する鋼鉄材料からなる主体金具を備えたスパークプラグであって、
   前記主体金具は、前記スパークプラグをエンジンヘッドに組み付けた際に、そのエンジンヘッドに係合する雄ねじ状のねじ部を有し、
   少なくとも前記ねじ部の表面上には、前記主体金具のその他の表面上よりも厚く、かつ、１０μｍ以上、３００μｍ以下の厚みを有し、亜鉛を主成分とする金属層が形成されていることを特徴とするスパークプラグ。

Images