JP4685549B2

JP4685549B2 - スパークプラグ

Info

Publication number: JP4685549B2
Application number: JP2005239886A
Authority: JP
Inventors: 信行堀田; 英司小寺; 和重大林
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2005-08-22
Filing date: 2005-08-22
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2025-08-22
Also published as: JP2007059079A

Description

本発明は、自動車用エンジン等の内燃機関に使用されるスパークプラグに関する。

従来から、スパークプラグとして、中心電極と、この中心電極を保持する絶縁碍子と、先端部に接地電極を備え機関取り付けのための工具係合部を有する主体金具とを備え、主体金具内に絶縁碍子が支持固定された構造のものが知られている。このようなスパークプラグでは、筒状に形成された主体金具内に絶縁碍子を挿入し、主体金具の一方の端部を加締めることによって主体金具内に絶縁碍子を支持固定する構造とすることが一般的である（例えば、特許文献１参照。）。

上記構造のスパークプラグでは、主体金具の加締め部を加締めて係合させるために、絶縁碍子にフランジ状の大径部を形成する必要がある。このためスパークプラグの最大径を細くすることができない。そこで、絶縁碍子を主体金具に、溶接結合、接着結合、焼き嵌め等によって支持固定するようにしたスパークプラグも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

また、スパークプラグをエンジン等に取り付ける部分には、環状のガスケット（特許文献２におけるシールリング）等を取り付けて気密性を確保するようにしたものが一般的である。しかし、エンジンとの当接部となる座面を先細りとなるテーパー面として、エンジンの座面に直接当接させて気密性をとるようにしたスパークプラグも提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
特開２００２−１６４１４７号公報特開２００２−１５８０７８号公報特開２００１−１１８６５９号公報

上記の従来技術において、主体金具と絶縁碍子とを加締めによって固定した上記の従来のスパークプラグでは、十分な固着強度を確保することができ、信頼性も高いが、小型化することが困難である。

また、溶接結合、接着結合、焼き嵌め等によって主体金具と絶縁碍子とを固定した上記の従来のスパークプラグでは、ある程度小型化することは可能であるが、耐振動性や結合部分の十分な信頼性を確保することが困難であるため未だ実用化されるには至っていない。また、ガスケット等を取り付けて、エンジン等との取り付け部の気密性を確保するようになっているので、ガスケットが当接される座面を構成する部分の径が大きくなり、小型化の程度に限界がある。

また、ガスケット等を用いない上記した従来のスパークプラグでは、スパークプラグの先細り状のテーパー面と、エンジン等のスパークプラグ取り付け口部に形成されたテーパー面とのテーパー面同士を当接させる構造となっているため、締め付けトルクが得られ難く、特に油等の潤滑剤が付着した場合この傾向が顕著となる。このため、更に締め付けることにより締め付け過ぎでねじ切れが発生する可能性があるという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。本発明は、締め付け過ぎによるねじ切れの発生可能性の増大等を招くことなく、従来に比べて小型化を図ることのできるスパークプラグを提供することを目的とする。

本発明のスパークプラグは、軸方向に延在する中心電極と、該中心電極を保持する略円柱状の絶縁碍子と、先端側に設けられた機関取り付けのためのねじ部と、このねじ部の後端側に設けられた工具係合部と、前記絶縁碍子が圧入、焼き嵌め、冷やし嵌めのいずれかによって嵌合保持される嵌合部及び先端部に設けられた接地電極とを有し、略円筒状の主体金具と、を備えたスパークプラグであって、前記主体金具は、少なくとも前記工具係合部よりも先端側に、機関取り付け時に当該機関と直接当接されて気密を保持する座面であって外周側が内周側より先端側に位置する傾斜面状の座面を形成する金具中胴部を備えており、前記工具係合部の最小径部よりも内側に前記座面が形成されていることを特徴とする。

本発明のスパークプラグにおいては、主体金具の嵌合部にて、圧入、焼き嵌め、冷やし嵌めのいずれかによって絶縁碍子が保持されている。これによって、従来のように主体金具の加締め部を係合させるための大径の部位を絶縁碍子に設ける必要がなく、スパークプラグの最大径を細くすることができる。また、金具中胴部に形成された外周側が内周側より先端側に位置する傾斜面状（例えば逆テーパー状）の座面を、機関に直接当接させて気密を保持するようになっているので、この金具中胴部の外径を細くすることができ、一層小型化を図ることができる。また、このような形状の座面を機関に直接当接させることにより、油等の潤滑剤が付着した場合においても、締め付けトルクが得られ、締め付け過ぎによるねじ切れの発生可能性の増大を招くこともない。

前記座面の形状としては、前記座面を前記軸線を含む断面でみたときに当該座面の内周側基点と外周側基点とを結ぶ線分が軸線に垂直な直線に対してなす挟角が、１０〜１５度とされた形状とすることが好ましい。これによって、最大面圧を高め、気密性を高めることができる。

上記スパークプラグの外径は、前記ねじ部の外径が８ｍｍ以下、前記金具中胴部の外径が前記ねじ部より大、かつ、前記工具係合部の最小外径が前記金具中胴部の外径より大で１１ｍｍ以下とされる。これによって、実質的に工具係合部の外径が、主体金具の最大径となり、スパークプラグ全体における最大径となる。これによりスパークプラグ全体として小型化が図れる。

前記絶縁碍子が前記嵌合部にて保持される手段としては、圧入を選択することができ、この場合絶縁碍子の圧入部の先端側にテーパーが形成された圧入導入部が設けることが好ましい。これによって、より簡易な工程での製造が可能となり、かつ、十分な抜け荷重を確保することができる。

小型化した場合、ねじ首強度や嵌合部とのつなぎ部分の強度が要求される。このため、ビッカース硬度（ＪＩＳＺ２２４４（１９８８）に規定の方法により荷重１０Ｎにて測定した値）は３１０以上とすることが好ましい。また、ビッカース硬度が５００以上となるともろくなり、嵌合後に金具割れが発生する場合がある。このため、前記主体金具の少なくとも前記嵌合部は、ビッカース硬度３１０〜５００とすることが好ましい。

硬度の高い材料を使用した場合、主体金具の嵌合部の肉厚（外径）が大き過ぎると、嵌合部の保持力が極めて高くなるため、絶縁碍子に割れが発生する可能性が高くなる。また、最小肉厚が０．２５ｍｍ未満となると、製造性が悪くなる。このため、前記主体金具の前記嵌合部の外径を、前記工具係合部の最小外径以下とし、前記嵌合部の最小肉厚を０．２５ｍｍ以上とすることが好ましい。

本発明のスパークプラグによれば、締め付け過ぎによるねじ切れの発生可能性の増大等を招くことなく、従来に比べて小型化を図ることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１に絶縁碍子を主体金具へ組み付ける前の状態を示し、図２に組み付け後の本発明の実施形態に係るスパークプラグを示す。スパークプラグ１００は、略筒状の主体金具１と、先端部が突出するようにその主体金具１内に嵌め込まれる略円筒状の絶縁碍子２を備えている。絶縁碍子２内の中心部分にはその軸方向に沿って中心電極３が配置されており、中心電極３の先端部は絶縁碍子２から突出した状態となっている。そして、この中心電極３の先端部と対向するように、接地電極１０が配置される。この接地電極１０は、一端が主体金具１に結合され、接地電極１０と中心電極３の間には所定間隔の火花放電ギャップが形成される。

絶縁碍子２は、例えばアルミナあるいは窒化アルミニウム等のセラミック焼結体により略円筒状に構成され、その内部には自身の軸方向に沿って中心電極３を嵌め込むための貫通孔を有している。そして、貫通孔の一方の端部側に端子金具４が挿入・固定され、同じく他方の端部側に中心電極３が挿入・固定されている。また、該貫通孔内において端子金具４と中心電極３との間に抵抗体１１が配置されている。この抵抗体１１の両端部は、導電性ガラスシール層を介して中心電極３と端子金具４とにそれぞれ電気的に接続されている。

主体金具１は、例えば、ＳＵＳ６３０（ビッカース硬度４５５）等の金属により円筒状に形成されており、スパークプラグ１００のハウジングを構成するとともに、その先端側（図中下側）の外周面には、スパークプラグ１００を図示しないエンジンブロックに取り付けるためのねじ部７が形成されている。このねじ部７より後端側の外周部には、主体金具１をエンジンブロックに取り付ける際に、スパナやレンチ等の工具を係合させる工具係合部８が設けられている。

上記ねじ部７の後端側で、工具係合部８より先端側、すなわち、ねじ部７と工具係合部８との間には、金具中胴部６が設けられている。この金具中胴部６の先端側（図中下側）の面は、機関（エンジン）取り付け時に当該機関と直接当接されて気密を保持する座面５とされている。この座面５は、図４に拡大して示すように、外周側が内周側より先端側に位置する傾斜面（逆テーパー面）とされている。この座面５において、逆テーパー角度（座面５を軸線を含む断面でみたときに当該座面５の内周側基点と外周側基点とを結ぶ線分が軸線に垂直な直線に対してなす挟角（図４中に示す角度θ））は、スパークプラグ１００を機関に取り付けた際の面圧に影響する。これらの関係を、縦軸を最大面圧、横軸を逆テーパー角度とした図３に示す。この図３に示されるように、逆テーパー角度が１０〜１５度の範囲では、それ以外の角度の場合に比べて最大面圧が高くなる。このため、座面５を逆テーパー面とした場合、面圧を高めて気密性を高めるという観点からは、逆テーパー角度を１０〜１５度の範囲とすることが好ましい。なお、上記の座面５は、逆テーパー面に限らず、外周側が内周側より先端側に位置する傾斜面であれば良く、例えば図５に示すような曲面状のＲ面としても良い。なお、図６に示すように、工具係合部８の先端側（図中下側）に座面５があり、工具係合部８とは別に設けられた金具中胴部６を備えていない場合でもよい。この場合、実質的に工具係合部８を金具中胴部とみなすことができ、図２に示されるように、工具係合部８と独立した形態で金具中胴部６を備えていなくても問題はない。すなわち、座面５は外周側が内周側より先端側に位置する形態であればよく、図６に示すように工具係合部８の最小径部よりも内側に座面５を形成する金具中胴部があればよいと言える。

一方、工具係合部８より後端側には、嵌合部９が設けられている。この嵌合部９は、絶縁碍子２を嵌合保持するためのものであり、本実施形態においてこの嵌合部９は、絶縁碍子２を圧入することによって、嵌合保持するようになっている。このように、嵌合部９を工具係合部８よりも後端側に設けることにより、工具係合部８に工具を係合させてスパークプラグ１００をエンジンブロックに締め付けた際などに、嵌合部９にねじれトルク及び軸力が加わることを防止でき、嵌合部９における結合部分（嵌合保持）の信頼性を向上させることができる。すなわち、スパークプラグ１００のエンジンブロックへの取り付け、取り外しを繰り返して何度も行ったとしても、嵌合部９にねじれトルク及び軸力が加わらないので、絶縁碍子２との結合状態に緩み等が生じることがない。また、主体金具１の後端側で絶縁碍子２を支持することにより、絶縁碍子２が振動した際の振動周波数を高めることができ、耐振動性を向上させることができる。この圧入の際は、主体金具１の座面５を支持して絶縁碍子２の圧入を行っている。主体金具１は公知の製造方法によって先端に接地電極１０が接合されているので（図１参照。）この接地電極１０を変形させてしまうことなく圧入を行うためには座面５を支持して圧入することが望ましい。

また、上記のような嵌合部９を、例えばねじ部７の部分に設けたとすると、絶縁碍子２の圧入によってねじ部７が膨らみ、ねじ精度が低下する可能性があるが、本実施形態のように、工具係合部８よりも後端側に設けることにより、このような不具合が生じることを防止することができる。

一方、図１に示すように、絶縁碍子２は、先端側から順に小径部２１、中径部２２、大径部２３とされている。そして、大径部２３の中径部２２側端部には、所定角度のテーパーが形成され、主体金具１の嵌合部９に圧入するための圧入導入部２４とされている。

上記のように、本実施形態では、嵌合部９に、絶縁碍子２を圧入して嵌合保持する構成となっているので、従来のように主体金具の加締め部を係合させるための大径の部位を絶縁碍子２に設ける必要がなく、スパークプラグ１００の最大径を細くすることができる。なお、圧入の他、焼き嵌め、冷やし嵌め、或いはこれらの組み合わせによって、嵌合部９に絶縁碍子２を嵌合させるようにしても良い。

また、上記のように本実施形態では、金具中胴部６に形成された外周側が内周側より先端側に位置する傾斜面状の座面５を、機関に直接当接させて気密を保持するようになっているので、ガスケット等を挟み込んで押圧するための大径部を設ける必要がなく、この金具中胴部６の外径を細くすることができる。このため、一層小型化を図ることができる。また、このような形状の座面を機関に直接当接させることにより、油等の潤滑剤が付着した場合においても、締め付けトルクが得られ、締め付け過ぎによるねじ切れの発生可能性の増大を招くこともない。比較のため、図８に、従来のスパークプラグ２００の構成を示す。スパークプラグ２００では、絶縁碍子２０２が、主体金具２０１の後端部の加締め部２０９により、加締めにより支持されており、金具中胴部２０６の先端側に設けられた座面２０５側には、ガスケット２２０が設けられる。そして、座面２０５と機関の当接面との間にこのガスケット２２０を挟みこんで押圧し、気密を保持するため、金具中胴部２０６は、大径とされている。なお、図８において、２０４は端子金具、２０７はねじ部、２０８は工具係合部、２１０は接地電極である。

本実施例では、ねじ部７の外径が８ｍｍ、金具中胴部６の外径がねじ部７より大、かつ、工具係合部８の最小外径が金具中胴部７の外径より大で１１ｍｍとされている。これによって、実質的に工具係合部８の外径が、主体金具１の最大径となり、スパークプラグ全体における最大径となる。これにより、スパークプラグ１００の最大径を細くすることができ、小型化することができる。これによって、エンジンブロックに設けるスパークプラグ１００取り付け用の孔の径を小さくすることができ、エンジン設計における自由度を高めることができる。

上記のようにスパークプラグ１００を小型化した場合、ねじ首強度や嵌合部とのつなぎ部分の強度が要求される。このため、主体金具１、特に嵌合部９は、ビッカース硬度（ＪＩＳＺ２２４４（１９８８）に規定の方法により荷重１０Ｎにて測定した値）が３１０以上となるよう構成することが好ましい。また、ビッカース硬度が５００以上となるともろくなり、嵌合部９に絶縁碍子２を圧入した後に金具割れが発生する場合がある。このため、主体金具１の少なくとも嵌合部９は、ビッカース硬度３１０〜５００の範囲となるように構成することが好ましい。

また、上記のようにビッカース硬度が３１０〜５００のように硬度の高い材料を使用した場合、主体金具１の嵌合部９の肉厚（図１に示すＴ）が大き過ぎると、嵌合部９の保持力が極めて高くなるため、絶縁碍子２に割れが発生する可能性が高くなる。また、最小肉厚が０．２５ｍｍ未満となると、製造性が悪くなる。このため、主体金具１の嵌合部９の外径を、工具係合部８の最小外径以下とし、嵌合部９の最小肉厚を０．２５ｍｍ以上とすることが好ましい。また、嵌合部９において絶縁碍子２と当接する部分の長さは１ｍｍ以上とすることが好ましい。しかしながら、長すぎると過剰な圧入荷重必要としてしまうため作製の面からは嵌合部９の内径を上限とすることが好ましい。

ところで、上記のように硬度の高いものは、加工性が難しくなる。したがって、加工時には比較的加工性のよい（硬度の低い）状態で加工して、大まかに寸法を仕上げて（完成寸法でも良い）、焼入れ、焼き戻し、または析出硬化によって硬さを調節し、その後、正規の寸法に仕上げると効率が良くなる。また、冷鍛等の塑性加工にて主体金具１を製造する時は、冷鍛前の素材は硬度の低い状態で、塑性加工をすることで形状を作ると同時にその時の加工硬化を用いて、冷鍛完成時に形状と硬度を調節する方法も効率が良い。

絶縁碍子２を主体金具１に圧入する際には、潤滑材を使用すれば、圧入荷重を少なくすることができる。そして、圧入完了後、熱処理によって潤滑材を分解すれば、結合性を向上させることができる。このような潤滑材としては、例えばパスキンＭ３０（商品名）、セロゾール（商品名）等を使用することができる。

また、本実施形態のスパークプラグ１００では、絶縁碍子２を主体金具１に圧入した後、熱処理を行っている。このように、圧入後熱処理すると、抜け荷重を増大させることができる。これは、圧入時に、点接触の状態であった圧入部分が、熱処理によって面接触状態になるためと考えられる。熱処理は、例えば大気中において、温度３００℃で１５分程度行うことが好ましい。このような圧入後の熱処理を行わなかった場合、圧入荷重と抜け荷重は略同一となる。ところが、上記のような熱処理を行うことにより、例えばねじ部の直径８ｍｍのスパークプラグの場合に実際に測定したデータの一例を挙げれば、圧入荷重が１５７Ｋｇに対して、室温での抜け荷重が３５７Ｋｇ、２００℃での抜け荷重が２７６Ｋｇとなった。

さらに、本実施形態のスパークプラグ１００では、嵌合部９の内面と絶縁碍子２の外側との間で、必要とされる気密性が確保できるようになっている。スパークプラグ１００を取り付けた状態で内部から１．５５ＭＰａの圧力が加わった場合の気密性について測定したところ、常温では漏れ量が略０ｍｌ／ｍｉｎ、２００℃で略１ｍｌ／ｍｉｎ程度であり、一般に市販されている加締めによるスパークプラグと同等以上の気密性が確保されていることが分かった。このように、本実施形態に係るスパークプラグ１００では、嵌合部９において気密性を確保するようになっているので、従来のように気密性を確保するためのシールとなるタルク粉末等を充填する必要がなく、このため構造を簡易化することができる。

図７は、他の実施形態のスパークプラグ１１０の構成を示すもので、このスパークプラグ１１０では、金具中胴部６の座面５０が、軸方向に垂直な平面状とされ、機関（エンジン）取り付け時に当該機関とこの平面状の座面５０を直接当接して気密を保持するようになっている。また、この実施形態のスパークプラグ１１０では、ねじ部７の外径が８ｍｍ以下、金具中胴部６の外径がねじ部７より大、かつ、工具係合部８の最小外径が金具中胴部６の外径より大で１１ｍｍ以下とされている。

上記構成のスパークプラグ１１０によれば、前記の実施形態と同様な効果が得られるとともに、座面５０が平面状であるのでその加工を比較的容易に行うことができ、製造工程の簡素化を図ることができる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。

本発明の実施形態に係るスパークプラグの圧入前の状態を示す図。図１のスパークプラグの圧入後の状態を示す図。逆テーパー角度と最大面圧との関係を示す図。図１のスパークプラグの要部構成を拡大して示す断面図。図４のスパークプラグの変形例の要部構成を拡大して示す断面図。実施形態のスパークプラグの変形例の要部構成を拡大して示す一部切り欠き断面図。他の実施形態に係るスパークプラグの圧入前の状態を示す図。従来のスパークプラグの構成を示す図。

符号の説明

１……主体金具、２……絶縁碍子、３……中心電極、５……座面、６……金具中胴部、７……ねじ部、８……工具係合部、９……嵌合部、１００……スパークプラグ。

Claims

軸方向に延在する中心電極と、
該中心電極を保持する略円柱状の絶縁碍子と、
先端側に設けられた機関取り付けのためのねじ部と、このねじ部の後端側に設けられた工具係合部と、前記絶縁碍子が圧入、焼き嵌め、冷やし嵌めのいずれかによって嵌合保持される嵌合部及び先端部に設けられた接地電極とを有し、略円筒状の主体金具と、を備えたスパークプラグであって、
前記主体金具は、少なくとも前記工具係合部よりも先端側に、機関取り付け時に当該機関と直接当接されて気密を保持する座面であって外周側が内周側より先端側に位置する傾斜面状の座面を形成する金具中胴部を備えており、
前記工具係合部の最小径部よりも内側に前記座面が形成されている
ことを特徴とするスパークプラグ。
請求項１記載のスパークプラグにおいて、
前記座面を前記軸線を含む断面でみたときに当該座面の内周側基点と外周側基点とを結ぶ線分が軸線に垂直な直線に対してなす挟角が、１０〜１５度とされていることを特徴とするスパークプラグ。
請求項１又は２記載のスパークプラグにおいて、
前記ねじ部の外径が８ｍｍ以下であり、前記金具中胴部の外径が前記ねじ部より大、かつ、前記工具係合部の最小外径が前記金具中胴部の外径より大で１１ｍｍ以下とされていることを特徴とするスパークプラグ。
請求項１〜３いずれか１項記載のスパークプラグにおいて、
前記絶縁碍子が前記嵌合部にて、圧入により保持されていることを特徴とするスパークプラグ。
請求項１〜４いずれか１項記載のスパークプラグにおいて、
前記主体金具の少なくとも前記嵌合部がビッカース硬度３１０〜５００とされていることを特徴とするスパークプラグ。
請求項１〜５いずれか１項記載のスパークプラグにおいて、
前記主体金具の前記嵌合部の外径が、前記工具係合部の最小外径以下であり、かつ、前記嵌合部の肉厚が０．２５ｍｍ以上であることを特徴とするスパークプラグ。