JP5144738B2 - 中心電極およびスパークプラグの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、中心電極およびスパークプラグを製造する技術に関する。

スパークプラグの中心電極は、一般的に、後端側に鍔状の拡径部を備え、その拡径部よりも先端側に、拡径部よりも径が小さい胴部と、胴部よりも径が小さい小径部と、を備えている。従来、このような多段の径を有する中心電極を製造する場合には、まず、円柱状の電極部材を用意して、前述の胴部を押出成形により形成し、その後、胴部の先端部に、押出成形によって小径部を形成している（例えば、特許文献１参照）。

しかし、胴部の径と小径部の径の差によっては、小径部を押出成形する際に、電極材料の後端に加えられるパンチからの押圧力によって胴部が径方向に膨らんでしまう場合があった。

特開平８−２１３１５０号公報

前述の問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、スパークプラグの中心電極の胴部を精度良く形成可能な技術を提供することである。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］軸線方向に延びる軸孔を有し、前記軸孔内に、前記軸線方向の後端側から先端側に向かって前記軸孔を径小とする軸孔内段部を有する絶縁体と、前記絶縁体の外周に配設される主体金具と、前記軸孔に挿設され、前記軸孔内段部に前記軸線方向の後端側から接する拡径部と、前記拡径部よりも径が小さく前記拡径部よりも前記軸線方向の先端側に配置される胴部と、前記胴部よりも先端側に配置され前記胴部よりも径の小さい小径部と、を備える中心電極と、を有するスパークプラグの前記中心電極の製造方法であって、前記中心電極の材料として、円柱状の電極部材を用意する第１の工程と、前記電極部材の先端から後端側にかけて、前記小径部よりも径の大きい中径部を押出成形により成形する第２の工程と、前記第２の工程の後に、前記中径部の先端側に前記小径部を押出成形により成形する第３の工程と、前記中径部の前記軸線方向に垂直な断面の断面積をＳ１、前記小径部の前記軸線方向に垂直な断面の断面積をＳ２とし、（（Ｓ１−Ｓ２）／Ｓ１×１００）の値が３０以上のときに、前記第３の工程の後に、前記中径部に押出成形を施すことで前記胴部を成形する第４の工程と、を有することを特徴とするスパークプラグの中心電極の製造方法。

このようなスパークプラグの中心電極の製造方法では、中径部の先端側に小径部を形成した際の断面減少率（＝（Ｓ１−Ｓ２）／Ｓ１×１００）が３０％以上となる場合に、小径部の成形後に、中径部に更に押出成形を施すことで胴部を形成する。そのため、中心電極の胴部を精度良く形成することが可能になる。この結果、例えば、胴部の膨らみによって、絶縁体に割れが発生してしまうことを抑制することが可能となる。また、胴部の直径を軸線方向に揃えることができるので、中心電極から絶縁体への熱の伝導性を向上させることが可能となり、中心電極の異常な発熱を抑制することが可能になる。

本発明は、上述したスパークプラグの中心電極の製造方法のほか、スパークプラグの製造方法や、中心電極あるいはスパークプラグそのものとしても構成することが可能である。

本発明の実施形態としてのスパークプラグの部分断面図である。 中心電極の部分断面図である。 中心電極の製造方法の全体工程を示す説明図である。 押出成形体の成形の様子を示す説明図である。 第４複合材の成形の様子を示す説明図である。 再成形処理の様子を示す説明図である。 断面減少率と膨らみ量の関係を示す説明図である。 スパークプラグの製造方法の最終工程を示す説明図である。 押出金型内の潤滑油が中径部の側面に押し戻される現象を示す参考図である。

Ａ．スパークプラグの全体構成：
図１は、本発明の実施形態としてのスパークプラグ１００の部分断面図である。図１において、一点破線で示す軸線Ｏ−Ｏの右側は、外観正面図を示し、軸線Ｏ−Ｏの左側は、スパークプラグ１００の中心軸を通る断面でスパークプラグ１００を切断した断面図を示している。以下では、図１におけるスパークプラグ１００の軸線方向ＯＤを各図面における上下方向とし、下側をスパークプラグ１００の先端側、上側を後端側として説明する。

スパークプラグ１００は、絶縁体としての絶縁碍子１０と、主体金具５０と、中心電極２０と、接地電極３０と、端子金具４０とを備える。主体金具５０には、軸線方向ＯＤに貫通する挿入孔５０１が形成されている。この挿入孔５０１には、絶縁碍子１０が挿入されて保持されている。中心電極２０は、絶縁碍子１０内に形成された軸孔１２内に軸線方向ＯＤに保持されている。中心電極２０の先端部は、絶縁碍子１０の先端側に露出している。接地電極３０は、主体金具５０の先端部に接合されている。端子金具４０は、中心電極２０の後端側に設けられ、端子金具４０の後端部は絶縁碍子１０の後端側に露出している。

絶縁碍子１０は周知のようにアルミナ等を焼成して形成され、軸中心に軸線方向ＯＤへ延びる軸孔１２が形成された円筒形状を有する。軸線方向ＯＤの略中央には外径が最も大きな鍔部１９が形成されており、それより後端側には後端側胴部１８が形成されている。鍔部１９より先端側には、後端側胴部１８よりも外径の小さな先端側胴部１７が形成され、さらにその先端側胴部１７よりも先端側に、先端側胴部１７よりも外径の小さな脚長部１３が形成されている。脚長部１３は先端側ほど縮径され、スパークプラグ１００が内燃機関のエンジンヘッド２００に取り付けられた際には、その燃焼室に曝される。

主体金具５０は、内燃機関のエンジンヘッド２００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５０は、絶縁碍子１０を、その後端側胴部１８の一部から脚長部１３にかけての部位を取り囲むようにして保持している。すなわち、主体金具５０の挿入孔５０１に絶縁碍子１０が挿入され、絶縁碍子１０の先端と後端がそれぞれ主体金具５０の先端と後端から露出するように構成されている。主体金具５０は低炭素鋼材より形成され、全体にニッケルメッキや亜鉛メッキ等のメッキ処理が施されている。主体金具５０の後端部には、スパークプラグレンチ（図示外）が係合する六角柱形状の工具係合部５１が設けられている。主体金具５０は、内燃機関の上部に設けられたエンジンヘッド２００の取付ネジ孔２０１に螺合するネジ山が形成された取付ネジ部５２を備えている。

主体金具５０の工具係合部５１と取付ネジ部５２との間には、鍔状のシール部５４が形成されている。取付ネジ部５２とシール部５４との間のネジ首５９には、板体を折り曲げて形成した環状のガスケット５が嵌挿されている。ガスケット５は、スパークプラグ１００をエンジンヘッド２００に取り付けた際に、シール部５４の座面５５と取付ネジ孔２０１の開口周縁部２０５との間で押し潰されて変形する。このガスケット５の変形により、スパークプラグ１００とエンジンヘッド２００間が封止され、取付ネジ孔２０１を介した内燃機関内の気密漏れが防止される。

主体金具５０の工具係合部５１より後端側には薄肉の加締部５３が設けられている。また、シール部５４と工具係合部５１との間には、加締部５３と同様に薄肉の圧縮変形部５８が設けられている。工具係合部５１から加締部５３にかけての主体金具５０の内周面と絶縁碍子１０の後端側胴部１８の外周面との間には、円環状のリング部材６，７が介在されており、さらに両リング部材６，７間にタルク（滑石）９の粉末が充填されている。製造時においては、加締部５３を内側に折り曲げるようにして先端側に押圧することにより圧縮変形部５８が圧縮変形し、この圧縮変形部５８の圧縮変形により、リング部材６，７およびタルク９を介し、絶縁碍子１０が主体金具５０内で先端側に向け押圧される。この押圧により、主体金具５０の内周で取付ネジ部５２の位置に形成された金具内段部５６に、環状の板パッキン８を介し、絶縁碍子１０の脚長部１３の基端に位置する碍子段部１５が押圧されて、主体金具５０と絶縁碍子１０とが一体にされる。このとき、主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性は、板パッキン８によって保持され、燃焼ガスの流出が防止される。また、この押圧により、タルク９が軸線方向ＯＤ方向に圧縮されて主体金具５０内の気密性が高められる。

図２は、中心電極２０の部分断面図である。中心電極２０は、インコネル（商標名）６００等のニッケルまたはニッケルを主成分とする合金から形成された電極母材２１の内部に、電極母材２１よりも熱伝導性に優れる銅または銅を主成分とする合金からなる芯材２２を埋設した構造を有する棒状の電極である。中心電極２０の後端部には、後端側から先端側に向かって軸孔１２を径小とする軸孔内段部１４に後端側から当接して位置決めされる鍔状の拡径部２３が形成されており、拡径部２３の先端側には拡径部２３よりも径の小さい胴部２４が形成されている。また、胴部２４よりも先端側には胴部よりも径の小さい第１小径部２５が形成され、さらにその先端側には第１小径部２５よりも径の小さい第２小径部２６が形成されている。第２小径部２６は、絶縁碍子１０の先端よりも先端側に突出され、後述する接地電極３０との間に火花ギャップを形成する。胴部２４は、軸孔１２内において、軸孔内段部１４よりも先端側に配設される。すなわち、胴部２４の大部分が絶縁碍子１０の脚長部１３内に配設される。このような構造の中心電極２０は、絶縁碍子１０の軸孔１２内の最も先端側に配設され、その後端側には、ガラスシール体４およびセラミック抵抗３が配設される。そして、中心電極２０は、これらガラスシール体４およびセラミック抵抗３を介して軸孔１２の後端に配設された端子金具４０に電気的に接続される。端子金具４０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、高電圧が印加される。

接地電極３０（図１）は耐腐食性の高い金属から構成され、一例として、ニッケル合金が用いられる。この接地電極３０の基端は、主体金具５０の先端面に溶接されている。接地電極３０の先端部は、中心電極２０の先端面と、軸線Ｏ上で軸線方向ＯＤに対向するように屈曲されている。

Ｂ．中心電極の製造方法：
続いて、図３〜８を参照して本実施形態における中心電極２０の製造方法を説明する。図３は、中心電極２０の製造方法の全体工程を示す説明図である。本実施形態における中心電極２０の製造方法では、まず、図３（ａ）に示すように、耐熱性および耐食性に優れたニッケルまたはニッケル合金等の線材を所定の長さに切断して冷間鍛造を行うことで、有底円筒状のカップ部材６０を成形する。そして更に、カップ部材６０よりも熱伝導性に優れた銅または銅合金等の線材を所定の長さに切断して冷間鍛造を行うことで、後端に鍔状の頭部６１を有する円柱状の軸心６２を成形する（工程Ａ）。こうしてカップ部材６０および軸心６２を成形すると、所定の荷重によって、カップ部材６０内に軸心６２を圧入する（工程Ｂ）。そうすると、図３（ｂ）に示すように、第１複合材６３が形成される。カップ部材６０は、図２に示した電極母材２１の元となり、軸心６２は、図２に示した芯材２２の元となる。なお、以下に説明する各押出成形工程では、必要に応じて潤滑油が押出金型内に注入される。

第１複合材６３が生成されると、図４に示すように、この第１複合材６３を押出金型８０の丸孔８１に挿入してパンチ８２で押し込み、押出成形を施す（工程Ｃ）。こうすることによって第１複合材６３の先端側が細径化され、図３（ｃ）に示すように、丸棒状の押出成形体６４が成形される。この押出成形体６４の先端側には第１複合材６３より径の小さい丸軸状の中径部６５が成形され、後端側には押出成形が施されていない鍔状の頭部６６が成形される。この押出成形体６４を押出金型８０から取り出すと、その頭部６６を含む後端側の一部分を切断することにより、図３（ｄ）に示すように、中径部６５からなる第２複合材６７が形成される（工程Ｄ）。この第２複合材６７が、上述した適用例における「円柱状の電極部材」に相当し、工程Ａから工程Ｄまでが、「第１の工程」に相当する。

本実施形態では、図３（ｅ）および（ｆ）に示すように、押出成形体６４に、更に押出成形を施して細経化し（工程Ｅ）、その頭部を切断することで（工程Ｆ）、中径部６５が直径ａ１（例えば、１．９ｍｍ）となる第３複合材６８を生成する。これら工程ＥおよびＦは、上述した適用例における「第２の工程」に相当する。

第３複合材６８を生成すると、図５に示すように、第３複合材６８を押出金型８３の丸孔８４に挿入してパンチ８５で押し込んで押出成形を施し、中径部６５の先端部をさらに細径化する（工程Ｇ）。こうすることで、図３（ｇ）に示すように、中径部６５の先端に、直径ｃ（例えば１．６ｍｍ）の第２小径部２６を有する第４複合材６９が成形される。工程Ｇは、上述した適用例における「第３の工程」に相当する。

上述した工程Ｇでは、中径部６５の先端に第２小径部２６を成形する際に、パンチ８５からの荷重によって、第４複合材６９の中径部６５が、押出金型８３の丸孔８４と第４複合材６９との間の僅かな隙間ＣＬ（図５）内において外周に向けて膨らみ、その直径が、部分的（多くの場合、後端部）あるいは全体的に直径ａ１よりも大きな直径ａ２になる現象が生じることがある。本実施形態では、この膨らみ量Ｅ（直径ａ２と直径ａ１の差）が所定の公差（本実施形態では０．０１０ｍｍ）に収まるようにするため、第４複合材６９の中径部６５の直径を直径ａ２から直径ａ１に戻すための再成形処理を行う（工程Ｈ）。工程Ｈは、上述した適用例における「第４の工程」に相当する。

図６は、再成形処理の様子を示す説明図である。この図６に示すように、本実施形態では、第４複合材６９を押出金型８６の丸孔８７に挿入してパンチ８８で押し込み、押出成形を中径部６５に施すことで、中径部６５の直径を直径ａ２から直径ａ１に再成形する。こうすることで、中径部６５の膨らみを事後的に抑制することができる。こうして再成形された中径部６５は、図２における中心電極２０の胴部２４となる。

本実施形態では、この再成形処理を、第２小径部２６を形成する際の中径部６５の断面減少率Ｒが３０％以上の場合に行う。断面減少率Ｒは、第２小径部２６を成形する前の中径部６５の軸線方向に垂直な断面の断面積をＳ１（＝π（ａ１／２）^２）とし、第２小径部２６の軸線方向に垂直な断面の断面積をＳ２（＝π（ａ２／２）^２）としたときに、以下の式（１）によって表される。

Ｒ［％］＝（Ｓ１−Ｓ２）／Ｓ１×１００ ・・・（１）

図７は、断面減少率Ｒと膨らみ量Ｅとの関係を示す説明図である。図７（ａ）には、断面減少率と膨らみ量との関係を表で示し、図７（ｂ）にはその関係をグラフによって示した。ここでは、第３複合材６８の中径部６５の直径ａ１が、１．５ｍｍから３．０ｍｍまでの種々のサンプルについて、断面減少率Ｒに応じた膨らみ量Ｅを実験により求めた。図６に示した各膨らみ量Ｅは、各断面減少率Ｒにおける各サンプルの膨らみ量Ｅの平均値である。図７に示した実験結果によれば、断面減少率Ｒが３０％を超えると、膨らみ量Ｅが、概ね、本実施形態における公差（０．０１０ｍｍ）よりも大きくなることが確認された。そのため、本実施形態では、上記のように、断面減少率Ｒが３０％以上の場合に、再成形処理を行う。なお、断面減少率Ｒが３０％未満の中心電極２０を製造する場合には、図３の工程Ｈにおける再成形処理を省略することが可能である。もちろん、断面減少率Ｒに拘わらず、一律に再成形処理を行うことも可能である。

再成形処理を終えると、最後に、図８に示すように、第４複合材６９を、第１小径部２５を成形するための押出金型８９の丸孔９０に挿入し、これを、中心電極２０の拡径部２３を成形するための型が先端面に形成されたパンチ９１で押し込んで押出成形する（図３の工程Ｉ）。こうすることによって、第４複合材６９の中径部６５と第２小径部２６との間に、中径部６５よりも径が小さく第２小径部２６よりも径の大きい直径ｂ（例えば、１．７ｍｍ）の第１小径部２５が成形され、中径部６５の後端に拡径部２３が形成される。なお、本実施形態では、この工程Ｉは、工程Ｈの再成形処理において第４複合材６９の後端に形成される僅かな膨らみ７０を残したまま行うが、この膨らみ７０を切断した上で行うこととしてもよい。

以上のようにして製造された第４複合材６９は、図２に示した中心電極２０としてスパークプラグ１００の製造に用いられる。具体的には、絶縁碍子１０の軸孔１２に後端側から中心電極２０を挿入し、その上からガラスシール材を入れ、更にその上から端子金具４０を押し込む。その後、予め棒状の接地電極３０が溶接された主体金具５０内に絶縁碍子１０を組み付け、絶縁碍子１０と主体金具５０の加締部５３との間にリング部材６，７およびタルク９を充填し、加締部５３を後端側から加締める。最後に、接地電極３０に曲げ加工を施すことでスパークプラグ１００は完成する。

以上で説明したように、本実施形態における中心電極２０の製造方法では、円柱状の第３複合材６８（図３（ｆ））の中径部６５の先端に第２小径部２６を成形した後に、この中径部６５を再成形することによって中心電極２０の胴部２４を形成する。そのため、中心電極２０の胴部２４の直径の寸法精度を大幅に向上させることができる。この結果、例えば、胴部２４の膨らみによって、絶縁碍子１０に割れが発生してしまうことを抑制することが可能となる。また、胴部２４の直径を軸線方向に揃えることができるので、中心電極から絶縁碍子への熱の伝導性を向上させることが可能となり、中心電極の異常な発熱を抑制することが可能になる。

また、本実施形態では、上記のように中径部６５の再成形を行うこととしたため、この中径部６５を図３の工程Ｆにおいて成形する押出金型の丸孔のクリアランスを十分に確保することができる。そのため、押出成形時の摩擦抵抗を低減することができる。この結果、第３複合材６８を容易に成形することが可能となり、また、押出金型にかかる負荷を軽減させることが可能になる。

加えて、本実施形態では、上記のように中径部６５を再成形することとしたため、最終工程Ｉを実施するための押出金型８９に挿入される第４複合材６９の外径の寸法精度が高まる。そのため、押出金型８９への第４複合材６９の挿入不良が低減し、歩留まりを向上させることが可能になる。

その他、本実施形態では、第１小径部２５よりも先端側に位置する小径な第２小径部２６を、第１小径部２５よりも先に成形することとした。そのため、例えば、図９に示すように、第１小径部２５を先に形成した場合に生じ得る、押出金型内の潤滑油が中径部６５の側面に押し戻される現象を抑制することができる。この結果、潤滑油の存在によって中径部６５の側面が細くなってしまうことを抑制することが可能になる。

Ｃ．変形例：
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様を採ることができる。例えば、上述した実施形態における各種寸法、公差は例示であり、スパークプラグ１００の仕様に応じて適宜設定可能である。その他、以下のような変形が可能である。

上記実施形態では、第３複合材６８の中径部６５の先端側に第２小径部２６を成形した後に、膨らんだ中径部６５の直径ａ２を、元の直径ａ１に戻す再成形処理を行った。これに対して、再成形処理前の第３複合材６８の直径は、再成形処理後の直径ａ１よりも大きな直径としてもよい。すなわち、図３の工程Ｅ，Ｆでは、中径部６５の直径をやや大きめに成形し、第２小径部２６の成形後に、工程Ｈにおいて、中径部６５の直径を正確に成形することとしてもよい。

上記実施形態では、第１小径部２５よりも第２小径部２６を先に成形することとしたが、第１小径部２５の方を先に成形することとしてもよい。この場合、上述した潤滑油の押し戻しによる中径部６５の側面の小径化が生じないように、複合材や金型の各寸法を規定することが好ましい。

上記実施形態では、第１小径部２５と第２小径部２６の２つの段を中心電極２０に形成することとしたが、いずれか一方を省略することも可能である。また、３段以上の段を成形しても構わない。

上記実施形態では、第３複合材６８を得るために、２回の押出成形を行うこととした。これに対して、１回の押出成形によって第３複合材６８を成形することとしてもよい。もちろん、３回以上の押出成形によって成形することも可能である。

３…セラミック抵抗
４…ガラスシール体
５…ガスケット
６…リング部材
８…板パッキン
９…タルク
１０…絶縁碍子
１２…軸孔
１３…脚長部
１４…軸孔内段部
１５…碍子段部
１７…先端側胴部
１８…後端側胴部
１９…鍔部
２０…中心電極
２１…電極母材
２２…芯材
２３…鍔部
２４…胴部
２５…第１小径部
２６…第２小径部
３０…接地電極
４０…端子金具
５０…主体金具
５１…工具係合部
５２…取付ネジ部
５３…加締部
５４…シール部
５５…座面
５６…金具内段部
５８…圧縮変形部
５９…ネジ首
６０…カップ部材
６１…頭部
６２…芯材
６３…第１複合材
６４…押出成形体
６５…中径部
６６…頭部
６７…第２複合材
６８…第３複合材
６９…第４複合材
７０…膨らみ
８０，８３，８６，８９…押出金型
８１，８４，８７，９０…丸孔
８２，８５，８８，９１…パンチ
１００…スパークプラグ
２００…エンジンヘッド
２０１…取付ネジ孔
２０５…開口周縁部
５０１…挿入孔

Claims (2)

1. 軸線方向に延びる軸孔を有し、前記軸孔内に、前記軸線方向の後端側から先端側に向かって前記軸孔を径小とする軸孔内段部を有する絶縁体と、
   前記絶縁体の外周に配設される主体金具と、
   前記軸孔に挿設され、前記軸孔内段部に前記軸線方向の後端側から接する拡径部と、前記拡径部よりも径が小さく前記拡径部よりも前記軸線方向の先端側に配置される胴部と、前記胴部よりも先端側に配置され前記胴部よりも径の小さい小径部と、を備える中心電極と、
   を有するスパークプラグの前記中心電極の製造方法であって、
   前記中心電極の材料として、円柱状の電極部材を用意する第１の工程と、
   前記電極部材の先端から後端側にかけて、前記小径部よりも径の大きい中径部を押出成形により成形する第２の工程と、
   前記第２の工程の後に、前記中径部の先端側に前記小径部を押出成形により成形する第３の工程と、
   前記中径部の前記軸線方向に垂直な断面の断面積をＳ１、前記小径部の前記軸線方向に垂直な断面の断面積をＳ２とし、（（Ｓ１−Ｓ２）／Ｓ１×１００）の値が３０以上のときに、前記第３の工程の後に、前記中径部に押出成形を施すことで前記胴部を成形する第４の工程と、
   を有することを特徴とするスパークプラグの中心電極の製造方法。
2. 軸線方向に延びる軸孔を有し、前記軸孔内に、前記軸線方向の後端側から先端側に向かって前記軸孔を径小とする軸孔内段部を有する絶縁体と、
   前記絶縁体の外周に配設される主体金具と、
   前記軸孔に挿設され、前記軸孔内段部に前記軸線方向の後端側から接する拡径部と、前記拡径部よりも径が小さく前記拡径部よりも前記軸線方向の先端側に配置される胴部と、前記胴部よりも先端側に配置され前記胴部よりも径の小さい小径部と、を備える中心電極と、
   を有するスパークプラグの製造方法であって、
   前記中心電極を製造する工程において、
   前記中心電極の材料として、円柱状の電極部材を用意する第１の工程と、
   前記電極部材の先端から後端側にかけて、前記小径部よりも径の大きい中径部を押出成形により成形する第２の工程と、
   前記第２の工程の後に、前記中径部の先端側に前記小径部を押出成形により成形する第３の工程と、
   前記中径部の前記軸線方向に垂直な断面の断面積をＳ１、前記小径部の前記軸線方向に垂直な断面の断面積をＳ２とし、（（Ｓ１−Ｓ２）／Ｓ１×１００）の値が３０以上のときに、前記第３の工程の後に、前記中径部に押出成形を施すことで前記胴部を成形する第４の工程と、
   を有することを特徴とするスパークプラグの製造方法。

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