JP4759090B1 - スパークプラグ - Google Patents

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Abstract

【課題】中心電極等の折損をより確実に防止し、貴金属チップを設けることによる着火性や耐久性の向上効果を十分に発揮させる。
【解決手段】スパークプラグ1は、絶縁碍子2、中心電極5、主体金具3、及び、接地電極27を備える。中心電極5の先端部には、軸線CL1方向先端側に向けて先細り形状をなす肩部51が形成されるとともに、当該先端部には、接地電極27との間で火花放電間隙33を形成する貴金属チップ31が溶融部35により接合される。貴金属チップ31の外側面において、軸線CL1に沿った貴金属チップ31の先端面と溶融部35との間の最短距離が0.8mm以上1.2mm以下であり、溶融部35のうち最も先端側の部位における外径が、最も基端側の部位における外径よりも小さくされる。直線L1及び直線L2のなす角のうち鋭角の角度をθ1としたとき、θ1≦72°を満たす。
【選択図】 図3

Description

本発明は、内燃機関等に使用されるスパークプラグに関する。
内燃機関等の燃焼装置に使用されるスパークプラグは、例えば、軸線方向に延びる中心電極と、当該中心電極の外周に設けられる絶縁体と、当該絶縁体の外側に組付けられる円筒状の主体金具と、当該主体金具の先端部から延び、中心電極側へと屈曲された接地電極とを備える。また、着火性や耐消耗性の向上を図るべく、中心電極の先端部に貴金属合金からなる貴金属チップを接合する技術が提案されている。
さらに近年では、前記貴金属チップを軸方向に沿ってより長くすることが提案されている(例えば、特許文献1等参照)。これは、例えば、次の理由による。
すなわち、貴金属チップの先端側側面に対して接地電極の先端面が対向し、両者の間に形成された火花放電間隙にて軸線と直交する方向にほぼ沿って火花放電が行われるタイプ(いわゆる、横放電タイプ)のスパークプラグにおいては、中心電極及び貴金属チップを接合する溶融部と接地電極とが接近していると、両者の間で異常な火花放電が生じてしまい、耐久性が低下してしまうおそれがある。この点、貴金属チップをより長くすれば、前記溶融部と接地電極との間の軸線方向に沿った距離を十分に確保することができ、異常な火花放電の発生ひいては耐久性の低下をより確実に防止することができる。
また、貴金属チップの先端面に対して接地電極の先端部が対向し、両者の間に形成された火花放電間隙にて軸線方向にほぼ沿った方向で火花放電が行われるタイプ(いわゆる、平行電極タイプ)のスパークプラグにおいては、貴金属チップをより長くすることで、発火位置を燃焼室の中心により近い場所へと突き出させることができ、着火性の向上を図ることができる。すなわち、耐久性や着火性の向上を図るという観点から、種々のタイプのスパークプラグにおいて、貴金属チップを軸方向に沿ってより長くすることが行われ得る。
特開2009−158343号公報
しかしながら、貴金属チップを長くすると、内燃機関等の動作に伴う振動により、中心電極のうち貴金属チップの基端部近傍に位置する部位や、中心電極と溶融部との境界部分に対してより大きな応力が加わることとなってしまう。そのため、中心電極や前記境界部分等において折損が生じてしまい、貴金属チップを設けることによる上述の作用効果が十分に発揮されないおそれがある。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的長尺の貴金属チップを備えるスパークプラグにおいて、中心電極等の折損をより確実に防止することができ、ひいては貴金属チップを設けることによる着火性や耐久性等の向上効果を十分に発揮させることができるスパークプラグを提供することにある。
以下、上記目的を解決するのに適した各構成につき、項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する構成に特有の作用効果を付記する。
構成1.本構成のスパークプラグは、
軸線方向に貫通する軸孔を有する筒状の絶縁体と、
前記軸孔の先端側に挿設される中心電極と、
前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
前記主体金具の先端部に配置された接地電極と、
前記中心電極の先端部に接合され、前記接地電極との間で間隙を形成する貴金属チップとを備え、
前記中心電極の先端部には、前記軸線方向先端側に向けて先細り形状をなす肩部が形成されるとともに、
前記貴金属チップは、レーザー溶接にて自身と前記中心電極とが溶け込みあった溶融部が自身の基端側の少なくとも一部に形成されることにより前記中心電極に接合され、
前記貴金属チップの外側面において、前記軸線に沿った前記貴金属チップの先端面と前記溶融部との間の最短距離が0.8mm以上1.2mm以下であるスパークプラグであって、
前記溶融部のうち最も先端側の部位における外径が、最も基端側の部位における外径よりも小さく、
下記の直線L1及び直線L2のなす角のうち鋭角の角度をθ1としたとき、
θ1≦72°
を満たし、かつ、
下記の直線L3及び直線L4のなす角のうち鋭角の角度をθ2としたとき、
前記軸線を含み、かつ、前記角度θ2が最大となる断面において、
θ1>θ2、及び、(θ1−θ2)≦50°
を満たすことを特徴する。
直線L1:前記軸線を含む断面において、前記軸線を挟んで位置する前記肩部の両外形線のうち一方の外形線を、前記軸線方向先端側に向けて延長してなる直線
直線L2:前記軸線を含む断面において、前記軸線を挟んで位置する前記肩部の両外形線のうち他方の外形線を、前記軸線方向先端側に向けて延長してなる直線
直線L3:前記軸線を含む断面において、前記溶融部のうち外表面に露出する部位の外形線のうち前記軸線を挟んで一方側に位置する外形線の両端を通る直線
直線L4:前記軸線を含む断面において、前記溶融部のうち外表面に露出する部位の外形線のうち前記軸線を挟んで他方側に位置する外形線の両端を通る直線
尚、軸線を含む断面において、肩部の外形線が湾曲していてもよいし、肩部の外形線が屈曲していてもよい。肩部の外形線が湾曲している場合、前記直線L1,L2は、前記外形線の両端を結んでなる線分を軸線方向先端側に向けて延長してなる直線を意味する。また、肩部の外形線が屈曲している場合、前記直線L1,L2は、肩部の外形線のうち屈曲部分よりも先端側に位置する線分を軸線方向先端側に向けて延長してなる直線をいう。
上記構成1によれば、貴金属チップは、外側面において、その先端面と溶融部との間の軸線に沿った最短距離が0.8mm以上となるように比較的長尺に構成されている。従って、耐久性や着火性の向上を図ることができる。
一方で、貴金属チップを比較的長くすると、上述の通り、中心電極等における折損が懸念されるが、上記構成1によれば、前記直線L1及び直線L2のなす角のうち鋭角の角度θ1が72°以下と比較的小さなものとされている。すなわち、断面積が比較的大きく変化する部位において応力の集中が生じるところ、折損が特に懸念される中心電極の肩部において軸線に沿った断面積の変化割合が比較的小さくなるように構成されている。従って、振動に伴う応力が肩部に集中してしまうことを効果的に抑制でき、肩部における折損をより確実に防止することができる。
また、肩部の先端側に形成される溶融部については、最も先端側の部位における外径が、最も基端側の部位における外径よりも小さくなるように(すなわち、外周部分が先細り形状をなすように)構成されている。従って、肩部と溶融部との境界部分が急峻な屈曲形状(断面積が急激に変化してしまう形状)となってしまうことを防止することができ、振動に伴う応力が、前記境界部分やその近傍に対して集中してしまうことをより確実に防止できる。その結果、前記境界部分及びその近傍における折損をより確実に抑制できる。
以上、本構成1によれば、肩部や前記境界部分等における耐折損性を向上させることができ、ひいては貴金属チップを設けることによる耐久性や着火性の向上効果をより確実に、かつ、より長期間に亘って発揮させることができる。
尚、前記貴金属チップについて、その先端面と溶融部との間の軸線に沿った最短距離を1.2mmよりも大きくすると、肩部等に加わる応力が極端に増大してしまうとともに、貴金属チップの熱引きが悪化してしまう。従って、肩部等における折損や貴金属チップにおける耐消耗性の低下を防止すべく、前記最短距離を1.2mm以下とすることが好ましい。
また、耐折損性の更なる向上を図るという点からは、角度θ1をより小さくすることが好ましい。但し、角度θ1を小さくすると、肩部の軸方向長さがより増大するため、絶縁体の先端に対して貴金属チップが過度に先端側に突き出して配置されてしまうこととなり、結果として、耐熱性等が低下してしまうおそれがある。一方で、絶縁体の先端に対する貴金属チップの突き出し量を抑制すると、肩部の基端側外周部分と絶縁体の軸孔との間に大きな環状空間が形成されることとなってしまい、絶縁体の耐熱性が低下してしまうおそれがある。従って、角度θ1を比較的小さくした場合において、肩部の軸方向長さが過度に増大しないように、肩部後端の外径を比較的小さなもの(例えば、2.6mm以下や2.1mm以下)とすることが好ましい。
また、前記直線L3と直線L4とのなす角度θ2について、θ1−θ2≦50°を満たすように構成されている。従って、肩部から溶融部にかけた部位において、軸線方向に沿った断面積の変化割合を一層小さくすることができ、ひいては肩部や溶融部に対する応力の集中をより一層確実に防止することができる。その結果、耐折損性の更なる向上を図ることができる。
構成.本構成のスパークプラグは、上記構成1において、前記軸線を含む断面において、
前記肩部の外形線が直線状をなすことを特徴とする。
尚、「直線状」とあるのは、肩部の外形線が屈曲していなかったり(角が形成されていなかったり)、過度に湾曲していないことを意味し、肩部の外形線が厳密に直線となっていることを意味するのではない。
上記構成によれば、肩部の外形線が直線状をなしているため、肩部における応力の集中を一層確実に防止することができる。その結果、耐折損性を一層向上させることができる。
構成.本構成のスパークプラグは、上記構成1又は2において、前記中心電極は、外層と、当該外層の内部に設けられ、当該外層よりも熱伝導性が高い内層とを備え、
前記内層から前記貴金属チップの基端面までの距離または前記内層から前記溶融部までの距離のうち短いほうの距離が2mm以下であり、
前記軸線を含む断面において、前記直線L1及び直線L2の交点を通り、前記内層の外形線に接する2本の直線のなす角のうち鋭角の角度をθ3としたとき、
(θ1×1/3)≦θ3
を満たすことを特徴とする。
貴金属チップの熱は、貴金属チップから直接又は溶融部を介して中心電極側へと引かれるところ、上記構成によれば、中心電極の内部に設けられた熱伝導性に優れる内層から貴金属チップの基端面までの距離、又は、前記内層から溶融部までの距離の少なくとも一方が2mm以下とされている(すなわち、貴金属チップや溶融部に対して内層が比較的接近した位置に配置されている)。加えて、θ1×1/3≦θ3を満たすように、つまり、内層先端部が、角度θ1の変化に伴う中心電極先端部の太さに対応した十分なボリュームを有するように構成されている。このため、内層により貴金属チップの熱を効率よく引くことができ、貴金属チップの耐消耗性を一層向上させることができる。
構成.本構成のスパークプラグは、上記構成において、θ3≦(θ1×3/4)
を満たすことを特徴とする。
上記構成のように、θ3を比較的大きくすることで貴金属チップにおける耐消耗性の向上を図ることができる。ところが、θ3を過度に大きくしてしまうと、軸線と直交する断面において、中心電極先端部における内層の占める割合が過度に大きくなってしまい、一方で、外層が過度に薄肉となってしまう。その結果、内層の熱膨張量が増大してしまうとともに、外層の強度が不十分なものとなってしまい、ひいては冷熱サイクルの繰り返しにより中心電極の表面に亀裂が生じてしまうおそれがある。
この点、上記構成によれば、θ3≦(θ1×3/4)を満たすように構成されているため、角度θ1の変化に伴う中心電極先端部の太さに対応した、適切なボリュームの内層と適切な厚さの外層とが設定されることとなる。その結果、内層の熱膨張に対して外層が十分な強度を有することとなり、中心電極における亀裂の発生をより確実に防止することができる。
構成.本構成のスパークプラグは、上記構成1乃至のいずれかにおいて、前記接地電極は、その先端面が前記貴金属チップの外側面と対向するように配置されており、
前記間隙において、前記軸線と直交する方向にほぼ沿って火花放電が行われることを特徴とする。
上記構成のような、軸線と直交する方向にほぼ沿って火花放電が行われるタイプ(いわゆる、横放電タイプ)のスパークプラグにおいては、溶融部と接地電極との間における異常な火花放電を防止すべく、貴金属チップの一層の長尺化が望まれる。ところが、貴金属チップをより長尺に構成すれば、中心電極等における折損のおそれが高まることとなってしまう。
この点、上記構成1等を採用することで、貴金属チップの一層の長尺化が必要となる横放電タイプのスパークプラグにおいて、中心電極等の折損をより確実に防止できる。すなわち、上記構成1等は、横放電タイプのスパークプラグにおいて特に有意である。
構成.本構成のスパークプラグは、上記構成1乃至のいずれかにおいて、前記貴金属チップは円柱状をなすとともに、その先端面の外径が0.7mm以下とされることを特徴とする。
貴金属チップによる消炎作用を抑制し、着火性の向上を図るためには、貴金属チップを比較的小径なものとすることが好ましい。ところが、貴金属チップを小径化した場合には、貴金属チップが接合される肩部も比較的小径なものとされ得る。肩部を小径化すると、肩部の強度が低下してしまうため、肩部等における折損が一層懸念されることとなる。
この点、上記構成によれば、貴金属チップは、その先端面の外径が0.7mm以下となるように小径化されているため、着火性の向上を期待できる一方で、耐折損性の低下が懸念されるが、上記構成1等を採用することで、当該懸念を払拭することができる。換言すれば、上記構成1等は、先端面の外径が0.7mm以下と小径化された貴金属チップを有するスパークプラグにおいて特に有効である。
構成.本構成のスパークプラグは、上記構成1乃至のいずれかにおいて、前記貴金属チップは円柱状をなすとともに、その先端面の外径が0.5mm以下とされることを特徴とする。
上記構成によれば、貴金属チップは、その先端面の外径が0.5mm以下とより一層小径化されているため、着火性の更なる向上を期待できる一方で、肩部等における折損がより懸念される。この点、上記構成1等を採用することで、肩部における応力の集中を抑制することができ、良好な着火性を維持しつつ、優れた耐折損性を実現することができる。換言すれば、上記構成1等は、先端面の外径が0.5mm以下と小径化された貴金属チップを有するスパークプラグにおいて一層有効である。
構成.本構成のスパークプラグは、上記構成1乃至のいずれかにおいて、前記貴金属チップは、イリジウム(Ir)或いは白金(Pt)を主成分とする合金により形成されることを特徴とする。
上記構成によれば、貴金属チップが、PtやIrを主成分とする耐消耗性に優れた合金により形成されているため、耐久性の更なる向上を図ることができる。
また、このような合金を用いることで、上記構成や構成のような細長い形状の貴金属チップを比較的容易に形成することができる。
スパークプラグの構成を示す一部破断正面図である。 スパークプラグの先端部の構成を示す一部破断拡大正面図である。 肩部や溶融部等の構成を示す部分拡大断面模式図である。 溶融部の別例を説明するための溶融部等の部分拡大断面図である。 θ1を種々変更したサンプルについての耐折損性評価試験の試験結果を示すグラフである。 θ1を72°としたサンプルについて、θ1−θ2を種々変更した際における耐折損性評価試験の試験結果を示すグラフである。 θ1を60°としたサンプルについて、θ1−θ2を種々変更した際における耐折損性評価試験の試験結果を示すグラフである。 (a),(b)は、別の実施形態における肩部等の構成を示す部分拡大断面模式図である。 別の実施形態におけるスパークプラグの構成を示す一部破断拡大正面図である。 (a),(b)は、別の実施形態におけるスパークプラグの構成を示す一部破断拡大正面図である。
以下に、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図1は、スパークプラグ1を示す一部破断正面図である。尚、図1では、スパークプラグ1の軸線CL1方向を図面における上下方向とし、下側をスパークプラグ1の先端側、上側を後端側として説明する。
スパークプラグ1は、絶縁体としての絶縁碍子2、これを保持する筒状の主体金具3などから構成されるものである。
絶縁碍子2は、周知のようにアルミナ等を焼成して形成されており、その外形部において、後端側に形成された後端側胴部10と、当該後端側胴部10よりも先端側において径方向外向きに突出形成された大径部11と、当該大径部11よりも先端側においてこれよりも細径に形成された中胴部12と、当該中胴部12よりも先端側においてこれよりも細径に形成された脚長部13とを備えている。加えて、絶縁碍子2のうち、大径部11、中胴部12、及び、大部分の脚長部13は、主体金具3の内部に収容されている。また、中胴部12と脚長部13との連接部にはテーパ状の段部14が形成されており、当該段部14にて絶縁碍子2が主体金具3に係止されている。
さらに、絶縁碍子2には、軸線CL1に沿って軸孔4が貫通形成されており、当該軸孔4の先端側には中心電極5が挿入、固定されている。中心電極5は、先端側から順に、軸線CL1方向先端側に向けて先細る肩部51と、当該肩部51の後端から軸線CL1に沿って延びる本体部52と、当該本体部52の後端において径方向外側に膨出する鍔部53とを備えており、前記鍔部53が前記軸孔4に形成されたテーパ状部位に係止されている。尚、本実施形態では、前記本体部52は小径化されており、その基端部の外径が比較的小さなもの(例えば、2.6mm以下や2.1mm以下)とされている。また、本体部52Aの先端部には、サーモと呼ばれる略同一外形の小径部52A(図2参照)が設けられている。
加えて、中心電極5は、ニッケル(Ni)を主成分とするNi合金からなる外層5Bと、当該外層5Bよりも熱伝導性に優れる金属材料(例えば、銅や銅合金、純Ni等)からなる内層5Aとを有している。また、中心電極5は、その先端部が絶縁碍子2の先端から突出しており、中心電極5の先端部には、レーザー溶接により形成された溶融部35を介して貴金属チップ31が接合されている。
前記貴金属チップ31は、円柱状をなし、イリジウム(Ir)又は白金(Pt)を主成分とする合金により形成されている。また、前記溶融部35は、中心電極5を構成する金属と貴金属チップ31を構成する金属とが溶け込み合うことで形成されており、貴金属チップ31の基端側の少なくとも一部に形成されている(尚、中心電極5や貴金属チップ31、溶融部35の構成については後に詳述する)。
また、軸孔4の後端側には、絶縁碍子2の後端から突出した状態で、低炭素鋼などにより形成された端子電極6が挿入、固定されている。
さらに、軸孔4の中心電極5と端子電極6との間には、円柱状の抵抗体7が配設されている。当該抵抗体7の両端部は、導電性のガラスシール層8,9を介して中心電極5と端子電極6とにそれぞれ電気的に接続されている。
加えて、前記主体金具3は、低炭素鋼等の金属により筒状に形成されており、その外周面にはスパークプラグ1を内燃機関や燃料電池改質器等の燃焼装置に取付けるためのねじ部(雄ねじ部)15が形成されている。また、ねじ部15の後端側の外周面には座部16が形成され、ねじ部15後端のねじ首17にはリング状のガスケット18が嵌め込まれている。さらに、主体金具3の後端側には、スパークプラグ1を燃焼装置に取付ける際にレンチ等の工具を係合させるための断面六角形状の工具係合部19が設けられるとともに、後端部において絶縁碍子2を保持するための加締め部20が設けられている。尚、本実施形態では、スパークプラグ1の小型化を図るべく、主体金具3が比較的小径に形成されており、ひいては前記ねじ部15のねじ径がM12以下(例えば、M10以下)とされている。
また、主体金具3の内周面には、絶縁碍子2を係止するためのテーパ状の段部21が設けられている。そして、絶縁碍子2は、主体金具3の後端側から先端側に向かって挿入され、自身の段部14が主体金具3の段部21に係止された状態で、主体金具3の後端側の開口部を径方向内側に加締めること、つまり上記加締め部20を形成することによって固定されている。尚、絶縁碍子2及び主体金具3双方の段部14,21間には、円環状の板パッキン22が介在されている。これにより、燃焼室内の気密性を保持し、燃焼室内に晒される絶縁碍子2の脚長部13と主体金具3の内周面との隙間に入り込む燃料ガスが外部に漏れないようになっている。
さらに、加締めによる密閉をより完全なものとするため、主体金具3の後端側においては、主体金具3と絶縁碍子2との間に環状のリング部材23,24が介在され、リング部材23,24間にはタルク(滑石)25の粉末が充填されている。すなわち、主体金具3は、板パッキン22、リング部材23,24及びタルク25を介して絶縁碍子2を保持している。
また、図2に示すように、主体金具3の先端部には、自身の略中間が曲げ返されて、その先端面が前記貴金属チップ31の外側面と対向する接地電極27が接合されている。加えて、接地電極27の先端部側面には、接地電極27の先端面及び側面の双方から突出するようにして、所定の貴金属材料(例えば、Pt合金やIr合金等)からなる角柱状の貴金属部32が接合されている。そして、前記貴金属チップ31の先端部と前記貴金属部32との間には、間隙としての火花放電間隙33が形成されており、当該火花放電間隙33において、軸線CL1と直交する方向にほぼ沿って火花放電が行われるようになっている。
加えて、前記絶縁碍子2の外周と軸孔4の先端部との間には、軸線CL1を中心として環状の空間をなすサーモポケット部28が形成されている。当該サーモポケット部28により、中心電極5から主体金具3までの絶縁碍子2の表面に沿った距離や、中心電極5と絶縁碍子2の先端との間の距離を比較的大きくすることができる。このため、いわゆる横飛火等、絶縁碍子2の表面を這った異常な火花放電をより確実に防止できるようになっている。尚、前記小径部52Aひいてはサーモポケット部28を設けることなく中心電極5等を構成することとしてもよい。
さらに、本実施形態では、着火性の向上を図るべく、貴金属チップ31が比較的小径とされる一方で、その軸線CL1に沿った長さが比較的長くされている。具体的には、図3(但し、図3においては、断面図において一般的に付されるハッチングを説明の便宜上省略してある)に示すように、貴金属チップ31の外径DCが0.7mm以下(例えば、0.5mm以下)とされる一方で、貴金属チップ31の外側面において、軸線CL1に沿った貴金属チップ31の先端面と溶融部35との間の最短距離LCが0.8mm以上1.2mm以下とされている。
また、前記中心電極5の肩部51はテーパ状をなしており、その先端部は、比較的小径の前記貴金属チップ31に対応して比較的小径に形成されている。加えて、軸線CL1を含む断面において、前記肩部51の外形線OL1,OL2は直線状となっている(尚、肩部51は、軸線CL1方向先端側に向けて先細る部位であり、本体部52の先端に設けられた略同一の外形を有する小径部52Aは、肩部51を構成するものではない)。そして、軸線CL1を含む断面において、軸線CL1を挟んで位置する前記肩部51の両外形線OL1,OL2のうち一方の外形線OL1を軸線CL1方向先端側に向けて延長してなる直線L1と、他方の外形線OL2を軸線CL1方向先端側に向けて延長してなる直線L2とのなす角のうち鋭角の角度をθ1としたとき、θ1≦72°を満たすように肩部51が形成されている。
加えて、前記溶融部35は、軸線CL1を中心として環状をなしており、軸線CL1上においては、中心電極5の先端面と貴金属チップ31の基端面とが接触するように構成されている。尚、溶融部35の形状はこれに限定されるものではなく、例えば、図4に示すように、中心電極5の先端面と貴金属チップ31の基端面とが接触することなく、両者の間の全域に亘って溶融部45を形成することとしてもよい。
図3に戻り、前記溶融部35は、その外周部分が軸線CL1方向先端側に向けて先細る形状をなしており、溶融部35のうち、最も先端側に位置する部位の外径DM1が、最も基端側に位置する部位の外径DM2よりも小さくされている。さらに、軸線CL1を含む断面において、溶融部35のうち外表面に露出する部位の外形線OL3,OL4のうち軸線CL1を挟んで一方側に位置する外形線OL3の両端を通る直線L3と、軸線CL1を挟んで他方側に位置する外形線OL4の両端を通る直線L4とのなす角のうち鋭角の角度をθ2としたとき、θ1>θ2、及び、(θ1−θ2)≦50°をそれぞれ満たすように溶融部35等が形成されている。
尚、溶融部35については、中心電極5に対する貴金属チップ31の接合強度を十分に確保すべく、その深さ(軸線CL1を含む断面において、溶融部35の外形線OL3,OL4から溶融部35のうち最も内部側に位置する部位までの前記外形線OL3,OL4と直交する方向に沿った距離)が0.2mm以上とされている。
さらに、上述の通り、中心電極5の内部には熱伝導性に優れる内層5Aが設けられているが、当該内層5Aは、次の構成を満たすように設定されている。すなわち、内層5Aは、貴金属チップ31の基端面又は溶融部35までの距離のうち短いほうの距離が2mm以下と貴金属チップ31や溶融部35に対して十分に接近するようにして設けられている。さらに、軸線CL1を含む断面において、前記直線L1及び直線L2の交点CPを通り、内層5Aの外形線に接する2本の直線L5,L6のなす角のうち鋭角の角度をθ3としたとき、(θ1×1/3)≦θ3≦(θ1×3/4)を満たすように内層5Aの形状が設定されている。
以上詳述したように、本実施形態によれば、貴金属チップ31は、外側面において、その先端面と溶融部35との間の軸線CL1に沿った最短距離LCが0.8mm以上とされている。そのため、耐久性や着火性の向上を図ることができる。
一方で、貴金属チップ31を比較的長くすると、中心電極5等における折損が懸念されるが、本実施形態によれば、前記角度θ1が72°以下と比較的小さなものとされている。従って、振動に伴う応力が肩部51に集中してしまうことを効果的に抑制でき、肩部51における折損をより確実に防止することができる。
また、溶融部35は、最も先端側の部位における外径DM1が、最も基端側の部位における外径DM2よりも小さくなるように構成されている。従って、肩部51と溶融部35との境界部分が急峻な屈曲形状となってしまうことを防止することができ、振動に伴う応力が、前記境界部分やその近傍に対して集中してしまうことを抑制できる。その結果、前記境界部分及びその近傍における折損をより確実に防止することができる。
以上、本実施形態によれば、肩部51や前記境界部分等における耐折損性を向上させることができ、ひいては貴金属チップ31を設けることによる耐久性や着火性の向上効果をより確実に、かつ、より長期間に亘って発揮させることができる。
加えて、前記直線L3と直線L4とのなす角度θ2について、θ1−θ2≦50°を満たすように構成されている。従って、肩部51から溶融部35にかけた部位において、軸線方向に沿った断面積の変化割合を一層小さくすることができ、ひいては肩部51や溶融部35に対する応力の集中をより一層確実に防止することができる。その結果、耐折損性の更なる向上を図ることができる。
さらに、肩部51の外形線OL1,OL2が直線状をなしているため、肩部51における応力の集中を一層確実に防止でき、耐折損性を一層向上させることができる。
併せて、前記内層5Aから貴金属チップ31の基端面、又は、溶融部35までの距離の少なくとも一方が2mm以下とされるとともに、(θ1×1/3)≦θ3を満たすように(つまり、内層5A先端部が、角度θ1の変化に伴う中心電極5先端部の太さに対応した十分なボリュームを有するように)構成されている。このため、内層5Aにより貴金属チップ31の熱を効率よく引くことができ、貴金属チップ31の耐消耗性を一層向上させることができる。
一方で、角度θ3については、θ3≦(θ1×3/4)を満たすように構成されており、角度θ1の変化に伴う中心電極5先端部の太さに対応した、適切なボリュームの内層5Aと適切な厚さの外層5Bとが設定されている。その結果、内層5Aの熱膨張に対して外層5Bが十分な強度を有することとなり、中心電極5における亀裂の発生をより確実に防止することができる。
尚、θ1≦72°と比較的小さくするとともに、貴金属チップ31を小径とすることで、肩部51の軸線CL1に沿った長さが比較的大きなものとなり得る。ここで、中心電極5や貴金属チップ31の耐熱性等を鑑みると、絶縁碍子2の先端に対して中心電極5の先端部(貴金属チップ31)を軸線CL1方向先端側に突き出すことにも限度があるため、肩部51の長さの増大に伴って、絶縁碍子2と軸孔4との間に形成される前記サーモポケット部28の容積が増大することとなる。ところが、サーモポケット部28の容積を過度に増大させてしまうと、絶縁碍子2の先端部が過熱されることとなってしまい、プレイグニッション等の不具合が生じてしまうおそれがある。絶縁碍子2の過熱を防止するためには、例えば、絶縁碍子2の脚長部13を短くすることが考えられるが、この場合には、脚長部13の表面積が減少してしまうため、耐汚損性が低下してしまうおそれがある。この点、本実施形態によれば、本体部52が比較的小径なものとされているため、肩部51の軸線CL1方向に沿った長さを比較的短くすることができる。従って、θ1≦72°としつつ、小径の貴金属チップ31を用いても、サーモポケット部28の容積が過度に増大してしまうことがない。その結果、脚長部13を短くすることなく(すなわち、耐汚損性の低下を招くことなく)絶縁碍子2の過熱を抑制することができる。
次いで、上記実施形態によって奏される作用効果を確認すべく、貴金属チップを変更することで、軸線CL1に沿った貴金属チップの先端面と溶融部との間の最短距離(チップ長さ)LCを種々変更するとともに、前記直線L1と直線L2とのなす角の角度θ1の大きさを種々変更したスパークプラグのサンプルを作製し、各サンプルについて耐折損性評価試験を行った。耐折損性評価試験の概要は次の通りである。すなわち、超音波ホーンにより、サンプルに対して周波数27.3kHzの振動を加え、中心電極や溶融部にて折損が生じるまでの時間(折損時間)を計測した。ここで、折損時間が120秒以上となったサンプルは、耐折損性に優れるとして「○」の評価を下し、折損時間が180秒以上となったサンプルは、耐折損性に極めて優れるとして「◎」の評価を下すこととした。一方で、折損時間が120秒未満となったサンプルは、耐折損性が不十分であるとして「×」の評価を下すこととした。表1に、耐折損性評価試験の試験結果を示す。尚、サンプル10は、肩部の外形線が直線状となるように肩部を形成し、他のサンプルについては、外形線に屈曲部(角部)が存在するように肩部を形成した。また、各サンプルの溶融部深さを0.2mmとした。さらに、図5として、各サンプルのうち、チップ長さLC等を同一条件とした上で、角度θ1のみを種々変更したサンプル(サンプル6〜9,11,12)の試験結果を示す。
Figure 0004759090
表1に示すように、チップ長さLCを0.7mmとしたサンプル(サンプル1〜3)は、角度θ1の値によることなく、優れた耐折損性を有していた一方で、チップ長さLCを0.8mm以上としたサンプル(サンプル4〜19)は、耐折損性が不十分なものとなり得ることが分かった。
そこで、チップ長さLCを0.8mm以上としたサンプルに着目すると、チップ長さLCを1.2mm以下としたサンプルであって、角度θ1を72°以下としたサンプル(サンプル5,9〜12)は、折損時間が120秒以上となり、優れた耐折損性を有することがわかった。これは、角度θ1を72°以下としたことで、軸線方向に沿った肩部の断面積の変化割合が比較的小さなものとなり、ひいては振動に伴う肩部に対する応力の集中を抑制できたためであると考えられる。また、図5に示すように、角度θ1を小さくするにつれて、耐折損性が一層向上されることが確認された。
また、肩部の外形線に屈曲部が存在するサンプルに対して、肩部の外形線を直線状に形成し、肩部の外形線に屈曲部が存在していないサンプル(サンプル10)は、非常に優れた耐折損性を有することが分かった。これは、屈曲部においては軸線方向に沿って断面積がやや急激に変化するため、応力が比較的集中しやすいところ、屈曲部をなくしたことで肩部に対する応力の集中をより一層抑制できたことによると考えられる。
以上の試験結果より、チップ長さが0.8mm以上1.2mm以下とされ、中心電極等における折損がより懸念されるスパークプラグにおいては、耐折損性の向上を図るべく、θ1≦72°を満たすように肩部を形成することが有意であるといえる。
また、耐折損性の更なる向上を図るという点から、肩部を直線状に形成したり、角度θ1をより小さく(例えば、60°以下と)したりすることがより有意であるといえる。
次に、チップ長さLCを1.2mmとするとともに、角度θ1を72°又は60°とした上で、溶融部の形状を変更することにより直線L3と直線L4とのなす角度θ2と前記角度θ1との差分(θ1−θ2)を種々変更したスパークプラグのサンプルを作製し、各サンプルについて上述の耐折損性評価試験を行った。図6に、角度θ1を72°としたサンプルの試験結果を示し、図7に、角度θ1を60°としたサンプルの試験結果を示す。尚、図6及び図7では、360秒以上の長時間に亘って中心電極や溶融部に折損が生じなかった場合に、折損時間を360秒として示した。また、各サンプルともに、溶融部の深さを0.2mmとした。
図6及び図7に示すように、各サンプルともに折損時間が120秒以上となり、優れた耐折損性を有していたものの、θ1−θ2を50°以下としたサンプルは、折損時間が360秒以上となり、極めて優れた耐折損性を有することがわかった。これは、θ1−θ2を比較的小さくしたことで、肩部から溶融部にかけた部位において、軸線方向に沿った断面積の変化割合が比較的小さなものとなり、その結果、肩部や溶融部に対する応力の集中が一層抑制されたためであると考えられる。
以上の試験結果より、耐折損性の一層の向上を図るという観点から、θ1−θ2≦50°を満たすように溶融部等を構成することが好ましいといえる。
次いで、チップ長さLCを1.2mmとするとともに、θ1を45°、60°、又は、72°とした上で、内層の構成を変更することにより前記直線L5と直線L6とのなす角度θ3を種々変更したスパークプラグのサンプルを作製し、各サンプルについて加熱温度測定試験を行った。加熱温度測定試験の概要は次の通りである。すなわち、チップ長さを0.4mmとした従来のスパークプラグにおいて貴金属チップの先端部の温度が1000℃となる条件にて、所定のバーナーにより各サンプルの先端部を加熱した上で、そのときの貴金属チップ先端部の温度を測定した。ここで、チップ長さLCが1.2mmであり、貴金属チップが非常に加熱されやすい条件であったにも関わらず、貴金属チップの先端部の温度が1050℃以下となったサンプル(つまり、従来のスパークプラグと比べて、加熱時における温度上昇が50℃以下に抑えられたサンプル)は、熱引きに優れるとして「○」の評価を下すこととした。一方で、貴金属チップの先端部の温度が1050℃を超えたサンプルは、熱引きにやや劣るとして「△」の評価を下すこととした。表2に、角度θ1を45°としたサンプルについての試験結果を示し、表3に、角度θ1を60°としたサンプルの試験結果を示す。また、表4に、角度θ1を72°としたサンプルの試験結果を示す。尚、各サンプルともに、中心電極の本体部の基端における外径を1.9mmとし、貴金属チップの外径を0.7mmとした。また、内層と、貴金属チップ又は溶融部との間の最短距離を2.0mm以内とした。
さらに、チップ長さLCを1.2mmとするとともに、θ1を45°、60°、又は、72°とした上で、内層と、貴金属チップ又は溶融部との間の最短距離SDを種々変更したスパークプラグのサンプルを作製し、各サンプルについて上述の加熱温度測定試験を行った。尚、θ1を45°としたサンプルはθ3を15°とし、θ1を60°としたサンプルはθ3を20°とし、θ1を72°としたサンプルはθ3を25°とした。また、中心電極等のサイズについては、上記同様とした。表5に、角度θ1を45°としたサンプルについての試験結果を示し、表6に、角度θ1を60°としたサンプルの試験結果を示す。また、表7に、角度θ1を72°としたサンプルの試験結果を示す。
Figure 0004759090
Figure 0004759090
Figure 0004759090
Figure 0004759090
Figure 0004759090
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表2〜4に示すように、角度θ3を(θ1×1/3)未満としたサンプルは、熱引きにやや劣ることが明らかとなった。これは、貴金属チップに近接する内層先端部のボリュームが比較的小さかったため、貴金属チップの熱を効率よく伝導できなかったことによると考えられる。
さらに、表5〜7に示すように、最短距離SDを2.0mmよりも大きくしたサンプルは、熱引きにやや劣ることが分かった。これは、貴金属チップや溶融部に対して内層が比較的離間していたため、貴金属チップの熱が内層へと伝わりにくくなってしまったためであると考えられる。
これに対して、最短距離SDを2.0mm以内としつつ、(θ1×1/3)≦θ3を満たすサンプルは、熱引きに優れることが明らかとなった。これは、貴金属チップ等に対して内層が十分に接近するとともに、内層先端部が、角度θ1の変化に伴う中心電極先端部の太さに対応した十分なボリュームを有するものとなったため、貴金属チップの熱を効率よく伝導できたためであると考えられる。
以上の試験結果より、貴金属チップの熱を効率よく引くためには、最短距離SDを2.0mm以内としつつ、(θ1×1/3)≦θ3を満たすように肩部や内層を構成することが好ましいといえる。
次いで、チップ長さLCを1.2mmとするとともに、角度θ1を45°、60°、又は、72°とした上で、前記角度θ3を種々変更したスパークプラグのサンプルを5本ずつ作製し、各サンプルについてバーナー冷熱試験を行った。尚、バーナー冷熱試験の概要は次の通りである。すなわち、所定のバーナーにより中心電極先端部を狙い温度1000℃の条件にて3分間加熱した後、1分間徐冷させることを1サイクルとして2500サイクル実施した。そして、2500サイクル終了後、中心電極を観察し、表面における亀裂の有無を確認した。ここで、5本の全てにおいて亀裂が確認されなかったサンプルは、耐膨張性に優れるとして「○」の評価を下し、一方で、5本中の少なくとも1本において亀裂が確認されたサンプルは、耐膨張性にやや劣るとして「△」の評価を下すこととした。表8に、角度θ1を45°としたサンプルの試験結果を示し、表9に、角度θ1を60°としたサンプルの試験結果を示す。また、表10に、角度θ1を72°としたサンプルの試験結果を示す。尚、各サンプルともに、中心電極の本体部の基端における外径を1.9mmとし、貴金属チップの外径を0.7mmとした。また、内層と、貴金属チップ又は溶融部との間の最短距離を2.0mm以内とした。
Figure 0004759090
Figure 0004759090
Figure 0004759090
表8〜10に示すように、角度θ3を(θ1×3/4)よりも大きくしたサンプルは、冷熱サイクルの繰り返しに伴って、中心電極に亀裂が生じ得ることが分かった。これは、角度θ1の変化に伴って貴金属チップの近傍に位置する中心電極先端部の太さが変化する(θ1が小さいと細くなり、θ1が大きいと太くなる)ところ、θ3>(θ1×3/4)としたことで、軸線と直交する断面において、中心電極先端部における内層の占める割合が過度に大きくなるとともに、外層が比較的薄肉となってしまい、その結果、内層の熱膨張に対する外層の強度が不十分となってしまったためであると考えられる。
これに対して、θ3≦(θ1×3/4)を満たすサンプルは、中心電極に亀裂が生じることなく、耐膨張性に優れることが明らかとなった。これは、θ3≦(θ1×3/4)としたことで、角度θ1の変化に伴う中心電極先端部の太さに対応した、適切なボリュームの内層と適切な厚さの外層とが設定されることとなり、その結果、内層の熱膨張に対して外層が十分な強度を有することとなったためであると考えられる。
以上の試験結果より、耐膨張性の向上を図るべく、θ3≦(θ1×3/4)を満たすように、肩部や内層を構成することが好ましいといえる。
尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。
(a)上記実施形態では、軸線CL1を含む断面における肩部51の外形線OL1,OL2が直線状に形成されているが、肩部51は軸線CL1方向先端側に向けて先細り形状をなすものであればよく、例えば、図8(a)に示すように、肩部61に屈曲部64が形成されていてもよいし、図8(b)に示すように、肩部71の外形線OL7,OL8が外側に(又は、内側に)凸形状をなすように若干湾曲していてもよい〔尚、図8(a),(b)においては、断面図において一般的に付されるハッチングを説明の便宜上省略してある〕。尚、肩部61に屈曲部64が形成されている場合において、直線L1及び直線L2は、肩部61の外形線のうち屈曲部64よりも先端側に位置する線分を延長した直線をいう。また、肩部71の外形線OL7,OL8が湾曲している場合において、直線L1,L2は、前記外形線OL7,OL8のそれぞれ両端を結んでなる線分を軸線CL1方向先端側に向けて延長してなる直線をいう。
(b)上記実施形態においては、接地電極27の先端部側面に貴金属部32が接合されているが、図9に示すように、接地電極27の先端面に貴金属部82を接合することとしてもよい。
(c)上記実施形態では、軸線CL1と直交する方向にほぼ沿って火花放電が行われるタイプのスパークプラグ1に本発明の技術思想が適用されているが、本発明の技術思想を適用可能なスパークプラグのタイプはこれに限定されるものではない。従って、本発明の技術思想を、例えば、図10(a)に示すように、貴金属チップ31及び貴金属部92の間に形成された火花放電間隙83において軸線CL1方向にほぼ沿って火花放電が行われるタイプのスパークプラグ1Aや、図10(b)に示すように、貴金属チップ31及び貴金属部102の間に形成された火花放電間隙93において軸線CL1に対して斜め方向に火花放電が行われるタイプのスパークプラグ1Bに適用することとしてもよい。この場合においても、上記実施形態と同様に、着火性等の向上を図ることができる。
(d)上記実施形態では、接地電極27に貴金属部32が設けられているが、当該貴金属部32を設けないこととしてもよい。この場合、前記火花放電間隙33は、貴金属チップ31と接地電極27との間に形成されることとなる。
(e)上記実施形態では、中心電極5は、内層5A及び外層5Bからなる2層構造とされているが、3層構造或いは4層以上の多層構造をなしていてもよい。従って、例えば、外層5Bの内側に銅合金或いは純銅で構成された中間層を設けるとともに、当該中間層の内側に純ニッケルで構成された最内層を設けることとしてもよい。尚、中心電極5が3層構造以上をなす場合には、外層5Bの内側に位置し、当該外層5Bよりも良熱伝導性金属を含んでなる複数の層が内層5Aに相当する。例えば、上述した中間層及び最内層を設ける構成を採用した場合、中間層及び最内層が内層5Aに相当することとなる。
(f)上記実施形態では、主体金具3の先端部に、接地電極27が接合される場合について具体化しているが、主体金具の一部(又は、主体金具に予め溶接してある先端金具の一部)を削り出すようにして接地電極を形成する場合についても適用可能である(例えば、特開2006−236906号公報等)。
(g)上記実施形態では、工具係合部19は断面六角形状とされているが、工具係合部19の形状に関しては、このような形状に限定されるものではない。例えば、Bi−HEX(変形12角)形状〔ISO22977:2005(E)〕等とされていてもよい。
1…スパークプラグ
2…絶縁碍子(絶縁体)
3…主体金具
4…軸孔
5…中心電極
5A…内層
5B…外層
27…接地電極
31…貴金属チップ
33…火花放電間隙(間隙)
35…溶融部
51…肩部
CL1…軸線

Claims (8)

  1. 軸線方向に貫通する軸孔を有する筒状の絶縁体と、
    前記軸孔の先端側に挿設される中心電極と、
    前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
    前記主体金具の先端部に配置された接地電極と、
    前記中心電極の先端部に接合され、前記接地電極との間で間隙を形成する貴金属チップとを備え、
    前記中心電極の先端部には、前記軸線方向先端側に向けて先細り形状をなす肩部が形成されるとともに、
    前記貴金属チップは、レーザー溶接にて自身と前記中心電極とが溶け込みあった溶融部が自身の基端側の少なくとも一部に形成されることにより前記中心電極に接合され、
    前記貴金属チップの外側面において、前記軸線に沿った前記貴金属チップの先端面と前記溶融部との間の最短距離が0.8mm以上1.2mm以下であるスパークプラグであって、
    前記溶融部のうち最も先端側の部位における外径が、最も基端側の部位における外径よりも小さく、
    下記の直線L1及び直線L2のなす角のうち鋭角の角度をθ1としたとき、
    θ1≦72°
    を満たし、かつ、
    下記の直線L3及び直線L4のなす角のうち鋭角の角度をθ2としたとき、
    前記軸線を含み、かつ、前記角度θ2が最大となる断面において、
    θ1>θ2、及び、(θ1−θ2)≦50°
    を満たすことを特徴するスパークプラグ。
    直線L1:前記軸線を含む断面において、前記軸線を挟んで位置する前記肩部の両外形線のうち一方の外形線を、前記軸線方向先端側に向けて延長してなる直線
    直線L2:前記軸線を含む断面において、前記軸線を挟んで位置する前記肩部の両外形線のうち他方の外形線を、前記軸線方向先端側に向けて延長してなる直線
    直線L3:前記軸線を含む断面において、前記溶融部のうち外表面に露出する部位の外形線のうち前記軸線を挟んで一方側に位置する外形線の両端を通る直線
    直線L4:前記軸線を含む断面において、前記溶融部のうち外表面に露出する部位の外形線のうち前記軸線を挟んで他方側に位置する外形線の両端を通る直線
  2. 前記軸線を含む断面において、
    前記肩部の外形線が直線状をなすことを特徴とする請求項1に記載のスパークプラグ。
  3. 前記中心電極は、外層と、当該外層の内部に設けられ、当該外層よりも熱伝導性が高い内層とを備え、
    前記内層から前記貴金属チップの基端面までの距離または前記内層から前記溶融部までの距離のうち短いほうの距離が2mm以下であり、
    前記軸線を含む断面において、前記直線L1及び直線L2の交点を通り、前記内層の外形線に接する2本の直線のなす角のうち鋭角の角度をθ3としたとき、
    (θ1×1/3)≦θ3
    を満たすことを特徴とする請求項1又は2に記載のスパークプラグ。
  4. θ3≦(θ1×3/4)
    を満たすことを特徴とする請求項に記載のスパークプラグ。
  5. 前記接地電極は、その先端面が前記貴金属チップの外側面と対向するように配置されており、
    前記間隙において、前記軸線と直交する方向にほぼ沿って火花放電が行われることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載のスパークプラグ。
  6. 前記貴金属チップは円柱状をなすとともに、その先端面の外径が0.7mm以下とされることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載のスパークプラグ。
  7. 前記貴金属チップは円柱状をなすとともに、その先端面の外径が0.5mm以下とされることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載のスパークプラグ。
  8. 前記貴金属チップは、イリジウム或いは白金を主成分とする合金により形成されることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載のスパークプラグ。
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