JP5639118B2 - スパークプラグの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、スパークプラグの製造方法に関する。

従来、スパークプラグの中心電極は、有底筒状に形成された金属製のカップに、カップよりも熱伝導率の高い金属性の芯材を挿入し、こうして芯材の挿入されたカップ（以下、「芯材挿入部材」という）を冷間圧造等の手法により成型することで製造されている。

特開２００４−１４６２３５号公報

このような従来の製造方法において、芯材挿入部材の生成工程では、カップと芯材との密着性を高めるために冷間圧造時に潤滑油が用いられることがある。しかし、冷間圧造時に潤滑油を用いると、芯材とカップとの間に潤滑油が封入されてしまう場合がある。このように潤滑油が芯材とカップとの間に封入されてしまうと、芯材挿入部材の生成中にカップから芯材が脱落してしまうという課題や、芯材挿入部材の体積が大きくなってしまうため、後の成型工程において成型される中心電極の長さにバラツキが生じてしまうという課題があった。また、潤滑油が芯材とカップとの間に封入されてしまうと、スパークプラグの使用中にその部分がボイドとなり、熱引き性能が低下してしまうという課題もあった。これらの課題は中心電極の生成時に限らず、芯材挿入部材を用いて他の電極（例えば、接地電極）を生成する際にも同様に生じ得る課題であった。

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］有底筒状に形成された金属製のカップに、前記カップよりも熱伝導率の高い金属製の芯材が前記カップの軸線方向に挿入された芯材挿入部材を用意する第１工程と、前記芯材挿入部材を成型して電極を形成する第２工程と、を備えるスパークプラグの製造方法であって、前記第１工程は、潤滑剤を用いつつ前記芯材挿入部材に据え込み加工を行う潤滑剤使用据え込み工程と、前記潤滑剤使用据え込み工程に先立ち、前記軸線方向の少なくとも一部において、前記芯材の側周面と前記カップとの隙間を全周にわたって塞ぐ封止工程と、を含むことを特徴とするスパークプラグの製造方法。

このようなスパークプラグの製造方法であれば、封止工程において、芯材の側周面とカップとの隙間が軸線方向の少なくとも一部において全周にわたって塞がれるため、潤滑剤使用据え込み工程においてその隙間に潤滑剤が浸入することが抑制される。そのため、封止工程後の潤滑剤使用据え込み工程において、潤滑剤を使用しながら大きな荷重で据え込み加工を行うことができるので、カップ内に芯材を十分に充満させることができる。この結果、芯材挿入部材内に空間が形成されることが抑制されるため、この芯材挿入部材を用いて製造されたスパークプラグの使用時にボイドが生じることを抑制することができ、スパークプラグの熱引き性能を向上させることが可能になる。また、芯材とカップの隙間に潤滑剤が浸入することが抑制されるので、製造された電極の長さ（体積）にバラツキが生じることや、電極の成型時にカップから芯材が脱落してしまうことを抑制できる。

［適用例２］適用例１に記載のスパークプラグの製造方法であって、前記封止工程では、前記潤滑剤使用据え込み工程における据え込みの荷重よりも小さい荷重によって据え込み加工を行うスパークプラグの製造方法。このようなスパークプラグの製造方法であれば、封止工程において小さな荷重で据え込み加工を行うので、据え込みに用いる金型に焼き付きが生じることを抑制することができる。

［適用例３］適用例１または２に記載のスパークプラグの製造方法であって、前記芯材は、前記カップに先に挿入される先端側に径小部が形成され、後端側に径小部よりも径の大きな径大部が形成されており、前記封止工程では、前記芯材の径大部の側周面と前記カップとが、前記軸線方向の少なくとも一部において、全周にわたって塞がれるスパークプラグの製造方法。このようなスパークプラグの製造方法であれば、径小部と径大部とを有する芯材を用いた場合であっても、上述した適用例１と同様の効果を奏することができる。

本発明は、上述したスパークプラグの製造方法に限られず、その他にも、例えば、スパークプラグや電極、電極の製造方法としても実現することが可能である。

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。 第１実施形態におけるスパークプラグの製造方法のフローチャートである。 中心電極の製造方法を示すフローチャートである。 第１工程における封止工程と潤滑剤使用据え込み工程との概念図である。 第２工程の概念図である。 第２工程の工程Ａにおける押出し加工の様子を示す説明図である。 第２工程の工程Ｃにおける押出し加工の様子を示す説明図である。 第２実施形態における芯材挿入部材の製造方法を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、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は、図１に示すように、軸線Ｏに沿った細長形状を有している。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。以下の説明では、軸線Ｏに平行であって図１の下方側を先端側と呼び、図１の上方側を後端側と呼ぶ。

スパークプラグ１００は、絶縁碍子１０と、中心電極２０と、接地電極３０と、端子金具４０と、主体金具５０とを備える。絶縁碍子１０の一端から突出する棒状の中心電極２０は、絶縁碍子１０の内部を通じて、絶縁碍子１０の他端に設けられた端子金具４０に電気的に接続されている。中心電極２０の外周は、絶縁碍子１０によって保持され、絶縁碍子１０の外周は、端子金具４０から離れた位置で主体金具５０によって保持されている。主体金具５０に電気的に接続された接地電極３０は、火花を発生させる隙間である火花ギャップを中心電極２０の先端との間に形成する。スパークプラグ１００は、内燃機関のエンジンヘッド２００に設けられた取付ネジ孔２０１に主体金具５０を介して取り付けられる。端子金具４０に２万〜３万ボルトの高電圧が印加されると、中心電極２０と接地電極３０との間に形成された火花ギャップに火花が発生する。

絶縁碍子１０は、アルミナを始めとするセラミックス材料を焼成して形成された絶縁体である。絶縁碍子１０は、中心電極２０および端子金具４０を収容する軸孔１２が中心に形成された筒状の部材である。絶縁碍子１０の軸方向中央には外径を大きくした中央胴部１９が形成されている。中央胴部１９よりも端子金具４０側には、端子金具４０と主体金具５０との間を絶縁する後端側胴部１８が形成されている。中央胴部１９よりも中心電極２０側には、後端側胴部１８よりも外径が小さい先端側胴部１７が形成され、先端側胴部１７の更に先には、先端側胴部１７よりも小さい外径であって中心電極２０側へ向かうほど外径が小さくなる脚長部１３が形成されている。

主体金具５０は、絶縁碍子１０の後端側胴部１８の一部から脚長部１３に亘る部位を包囲して保持する円筒状の金具である。本実施形態では、主体金具５０は、低炭素鋼により形成され、全体にニッケルめっきや亜鉛めっき等のめっき処理が施されている。主体金具５０は、工具係合部５１と、取付ネジ部５２と、シール部５４とを備える。主体金具５０の工具係合部５１は、スパークプラグ１００をエンジンヘッド２００に取り付ける工具（図示せず）が嵌合する。主体金具５０の取付ネジ部５２は、エンジンヘッド２００の取付ネジ孔２０１に螺合するネジ山を有する。主体金具５０のシール部５４は、取付ネジ部５２の根元に鍔状に形成され、シール部５４とエンジンヘッド２００との間には、板体を折り曲げて形成した環状のガスケット５が嵌挿される。主体金具５０の先端面５７は、中空の円状であり、その中央には、絶縁碍子１０の脚長部１３から中心電極２０が突出する。

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。スパークプラグ１００の製造時には、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、タルク９が軸線Ｏ方向に圧縮されて主体金具５０内の気密性が高められる。

また、主体金具５０の内周においては、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が押圧されている。この板パッキン８は、主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性を保持する部材であり、燃焼ガスの流出が防止される。

図２は、中心電極２０の部分断面図である。中心電極２０は、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芯材２２が埋設された棒状の部材である。本実施形態では、電極母材２１は、ニッケルを主成分とするニッケル合金から成り、芯材２２は、銅または銅を主成分とする合金から成る。中心電極２０の後端部近傍には、外周側に張り出した形状の鍔部２３が形成されている。鍔部２３の先端側には、鍔部２３よりも径の小さい第１径部２４が形成されている。第１径部２４の先端側には、第１径部２４よりも径の小さい第２径部２５が形成されている。鍔部２３は、図１に示すように、軸孔１２に形成された軸孔内段部１４に後端側から当接して、中心電極２０を絶縁碍子１０内で位置決めする。これにより、第１径部２４の大部分が、絶縁碍子１０の脚長部１３内に配置される。第２径部２５は、絶縁碍子１０の先端よりも先端側に突出され、既述した火花ギャップを形成する。中心電極２０の後端部は、セラミック抵抗３およびシール体４を介して端子金具４０に電気的に接続される。

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５７に溶接されている。接地電極３０の先端側は、軸線Ｏと交差する方向に屈曲されており、接地電極３０の先端部が、中心電極２０の先端面と軸線Ｏ上で対向している。なお、接地電極３０は、中心電極２０と同様に、電極母材の内部に、電極母材よりも熱伝導性に優れる芯材が埋設された棒状の部材によって形成されてもよい。

図３は、第１実施形態におけるスパークプラグの製造方法のフローチャートである。本実施形態の製造方法では、まず、主体金具５０と、絶縁碍子１０と、中心電極２０と、接地電極３０とが準備される（ステップＳ１００）。続いて、主体金具５０に接地電極３０が接合され（ステップＳ１１０）、所定の工具を用いて接地電極３０の先端が曲げ加工される（ステップＳ１２０）。接地電極３０の先端に曲げ加工が行われると、主体金具５０に中心電極２０と絶縁碍子１０とが挿入される組み付け工程が実施される（ステップＳ１３０）。この組み付け工程によって、主体金具５０の内側に絶縁碍子（絶縁体）１０と中心電極２０とが組み付けられた組立体が構成される。なお、組み付け工程としては、中心電極２０を絶縁碍子１０に組み付けたものを主体金具５０に組み付ける方法と、絶縁碍子１０を主体金具５０に組み付けた後に、中心電極２０を組み付ける方法とがあるが、これらのいずれを採用してもよい。組み付け工程の後には、所定の工具を用いて、主体金具５０の加締加工が実施される（ステップＳ１４０）。この加締加工により、絶縁碍子１０が主体金具５０に固定される。そして、最後に、主体金具５０の取付ネジ部５２にガスケット５が装着されて（ステップＳ１５０）、スパークプラグ１００が完成する。なお、図３に示した製造方法は単なる一例であり、これとは異なる種々の方法でスパークプラグを製造可能である。例えば、ステップＳ１００〜Ｓ１５０の工程の順序は、任意に変更可能である。

図４は、図３のステップＳ１００で準備される中心電極２０の製造方法を示すフローチャートである。図４に示すように、本実施形態における中心電極２０の製造方法では、まず、中心電極２０の材料となる芯材挿入部材を用意する第１工程が行われる（ステップＳ２００）。第１工程は、潤滑剤使用据え込み工程（ステップＳ２０２）と、潤滑剤使用据え込み工程に先立って行われる封止工程（ステップＳ２０１）とを含んでいる。

図５は、第１工程における封止工程と潤滑剤使用据え込み工程との概念図である。封止工程では、まず、カップ６０と芯材６１とが用意される（工程Ａ）。カップ６０は、ニッケルを主成分とするニッケル合金からなり、有底筒状に形成された部材である。また、芯材６１は、銅または銅を主成分とする合金からなり、鍔状に拡径された頭部６８と頭部６８よりも小径な胴部６９とを有する略円柱状の部材である。なお、以下では、カップ６０の軸線Ｏ方向において底側を先端側、開口側を後端側として説明する。

芯材６１とカップ６０とを用意すると、カップ６０内に芯材６１の胴部６９を軸線Ｏ方向の先端側に向けて挿入しつつ、それらを所定の金型９０内に挿入する（工程Ｂ）。この工程Ｂの段階では、カップ６０の内周面と芯材６１の胴部６９の側周面との間には一様に隙間が空いている。

カップ６０と芯材６１とを金型９０内に挿入すると、パンチ９１によってそれらに据え込み加工を施す（工程Ｃ）。以下、封止工程におけるこの据え込み加工のことを「予備据え込み加工」という。本実施形態では、この予備据え込み加工を、潤滑剤を使用せず、１０００ｋｇｆの荷重を芯材６１の頭部６８から加えることで行う。この予備据え込み加工では、芯材６１の胴部６９の側周面とカップ６０の内周面との間に隙間７０を残しつつ、主に胴部６９の軸線Ｏ方向における中央よりも後端側の部分の周方向への膨張により、隙間７０の後端部が全周にわたって塞がるように据え込み加工を行う。本実施形態では、この予備据え込み加工により、後述する潤滑剤使用据え込み工程において隙間７０への潤滑剤の浸入を抑制しつつ隙間７０内に封入された空気を外部に排出させることが可能な程度に隙間７０を塞ぐ。封止工程によって、隙間７０の後端部を塞ぐと、予備据え込み加工されたカップ６０および芯材６１を金型９０からキックアウトピン９３によって取りだす。

封止工程後には、潤滑剤使用据え込み工程が行われる。この潤滑剤使用据え込み工程では、予備据え込み加工されたカップ６０および芯材６１を、所定の金型９４に潤滑剤とともに挿入し、パンチ９５によってカップ６０および芯材６１に据え込み加工を施す。以下、潤滑剤使用据え込み工程における据え込み加工のことを「本据え込み加工」という。本実施形態では、この本据え込み加工を、潤滑剤を使用しつつ、２０００ｋｇｆの荷重を芯材６１の頭部６８から加える。この本据え込み加工を行うことにより、予備据え込み加工によって形成された隙間７０に芯材６１が充満され、芯材挿入部材６３が完成する。なお、潤滑剤使用据え込み工程において使用する潤滑剤としては、例えば、潤滑油、グリース、潤滑ペースト、固体潤滑剤、あるいは、これらから選択される潤滑剤の混合物を用いることができ、本実施形態では、潤滑油を用いる。

以上で説明した第１工程（図４，５）によって芯材挿入部材６３が作製されると、図４に示すように、芯材挿入部材６３を中心電極２０の形状に成型する第２工程が行われる（ステップＳ２１０）。

図６は、第２工程の概念図である。この第２工程では、まず、押出し加工によって、芯材挿入部材６３から押出成形体６４が作製される（工程Ｄ）。

図７は、第２工程の工程Ｄにおける押出し加工の様子を示す説明図である。工程Ｄでは、芯材挿入部材６３を所定の金型８０内に挿入してパンチ８２によって押出し加工を施す。これにより、芯材挿入部材６３よりも径が小さい軸部６５と、軸部６５の後端側であって押出し加工が施されていない部位である未加工部６６と、を有する押出成形体６４が作製される。

押出成形体６４を金型８０から取り出すと、図６の工程Ｄ，Ｅに示すように、未加工部６６を含む押出成形体６４の後端側の一部分を切除することにより、一定の径を有する棒状部材６７が形成される。棒状部材６７が作製されると、棒状部材６７に押出し加工を施すことで、第１径部２４と第２径部２５と鍔部２３とを備える中心電極２０（図２）が作製される（工程Ｆ）。

図８は、第２工程の工程Ｆにおける押出し加工の様子を示す説明図である。工程Ｆでは、棒状部材６７を所定の金型８３に挿入し、その後端を、鍔部２３に対応した型が形成されたパンチ８４で押し込んで押出し加工を施す。このように押出し加工を施すことで、棒状部材６７の先端部は、細径化されて第２径部２５が形成されるとともに、棒状部材６７の後端部に鍔部２３が形成され、中心電極２０が完成する。こうして中心電極２０が完成すると、芯材挿入部材６３のカップ６０は、図２に示した電極母材２１となり、芯材６１は、図２に示した芯材２２となる。

以上で説明した本実施形態のスパークプラグの製造方法では、中心電極２０の材料となる芯材挿入部材６３を製造する際に、カップ６０と芯材６１とに対して、複数回、据え込み加工を施す。このとき、封止工程において行われる予備据え込み加工（図５）では、カップ６０と芯材６１との間の隙間７０（図７）の後端部が封止されるように据え込みが行われるため、後の潤滑剤使用据え込み工程における本据え込み加工において、カップ６０の開口部と芯材６１の胴部６９との間から、潤滑剤が隙間７０内に浸入することを防止することができる。また、この予備据え込み加工では、カップ６０と芯材６１との間に、隙間７０が生じる程度の比較的軽い荷重で据え込み加工を行うため、金型９０に焼き付きが生じることを防止することができる。

予備据え込み加工に続いて行われる潤滑剤使用据え込み工程では、予備据え込み加工によって隙間７０の後端側が封止され。この隙間７０への潤滑剤の浸入が防止されているため、潤滑剤を使用しながら大きな荷重で据え込み加工を行うことができる。よって、カップ６０の底面と芯材２２の先端との間の隙間に、十分に、芯材（銅）を充満させることができる。この結果、芯材挿入部材６３内に空間が形成されることが抑制されるため、この芯材挿入部材６３を用いて製造されたスパークプラグ１００の使用時にボイドが生じることを抑制することができる。この結果、スパークプラグ１００の熱引き性能を向上させることが可能になる。

また、本実施形態の製造方法によれば、封止工程において隙間７０を封止してしまうため、隙間７０内に潤滑剤が浸入することがない。そのため、芯材挿入部材６３から製造された中心電極２０の長さ（体積）にバラツキが生じることを抑制することができ、また、中心電極２０の成型時に、カップ６０から芯材６１が脱落してしまうことを抑制することができる。

Ｂ．第２実施形態：
図９は、第２実施形態における芯材挿入部材６３の製造方法を示す説明図である。上述した第１実施形態では、有底筒状のカップ６０に挿入される芯材６１は、図５に示されているように、鍔状に拡径された頭部６８と、頭部６８よりも小径な胴部６９とを有する略円柱状の形状であることとした。これに対して、第２実施形態では、芯材６１ａの胴部６９の先端側に径小部６９ａが形成され、後端側に、径小部６９ａよりも径が大きく頭部６８よりも径の小さい径大部６９ｂが形成されている。径大部６９ｂの径は、カップ６０の開口部の径よりも若干大きい。

この第２実施形態では、図９に示すように、まず、封止工程において、芯材６１ａとカップ６０とを用意する（工程ａ）。芯材６１ａとカップ６０とを用意すると、カップ６０内に芯材６１ａの胴部６９を径小部６９ａ側から挿入しつつ、それらを所定の金型９０内に挿入する（工程ｂ）。そして、芯材６１ａの径大部６９ｂが、カップ６０の開口部に嵌り込むように、潤滑剤を使用せずにパンチ９１によって予備据え込み加工を行う（工程ｃ）。そうすると、芯材６１ａの径小部６９ａの側周面とカップ６０の内周面との間に隙間７０ａが形成される。こうして予備据え込み加工を行うと、予備据え込み加工されたカップ６０と芯材６１ａとを所定の金型９４内に挿入して、潤滑剤を使用しつつ、パンチ９５を用いて予備据え込み加工における荷重（例えば、１０００ｋｇｆ）よりも大きな荷重（例えば、２０００ｋｇｆ）で本据え込み加工を行う。そうすると、隙間７０ａ内に芯材６１ａが充満し、第１実施形態と同様の芯材挿入部材６３が形成される。

このように、径小部６９ａと径大部６９ｂとにより胴部６９に段差が形成された芯材６１ａを用いて芯材挿入部材６３を製造しても、第１実施形態と同様の種々の効果を得ることが可能である。なお、本実施形態では、胴部６９には、径小部６９ａと径大部６９ｂとが形成されることにより、１つの段差が設けられている例を示したが、２つ以上の段差が設けられていてもよい。

以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、本発明はこれらの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構成を採ることができる。例えば、上記実施形態では、芯材挿入部材６３を用いて中心電極２０を成型する例を示したが、芯材挿入部材６３を用いて接地電極３０を成型してもよい。また、上記実施形態では、芯材挿入部材６３を製造する際に、据え込み加工を２回行う例を示したが、３回以上の据え込み加工を行うこととしてもよい。その他、スパークプラグ１００は、中心電極２０の先端や接地電極３０の中心電極２０に対向した部分に貴金属チップを備える構成としてもよい。

３…セラミック抵抗
４…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…中央胴部
２０…中心電極
２１…電極母材
２２…芯材
２３…鍔部
２４…第１径部
２５…第２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
５６…金具内段部
５７…先端面
５８…圧縮変形部
６０…カップ
６１，６１ａ…芯材
６３…芯材挿入部材
６４…押出成形体
６５…軸部
６６…未加工部
６７…棒状部材
６８…頭部
６９…胴部
７０，７０ａ…隙間
８０…金型
８２…パンチ
８３…金型
８４…パンチ
９０…金型
９１…パンチ
９３…キックアウトピン
９４…金型
９５…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
Ｏ…軸線

Claims (3)

1. 有底筒状に形成された金属製のカップに、前記カップよりも熱伝導率の高い金属製の芯材が前記カップの軸線方向に挿入された芯材挿入部材を用意する第１工程と、
   前記芯材挿入部材を成型して電極を形成する第２工程と、を備えるスパークプラグの製造方法であって、
   前記第１工程は、
   潤滑剤を用いつつ前記芯材挿入部材に据え込み加工を行う潤滑剤使用据え込み工程と、
   前記潤滑剤使用据え込み工程に先立ち、前記軸線方向の少なくとも一部において、前記芯材の側周面と前記カップとの隙間を全周にわたって塞ぐ封止工程と、を含むことを特徴とするスパークプラグの製造方法。
2. 請求項１に記載のスパークプラグの製造方法であって、
   前記封止工程では、前記潤滑剤使用据え込み工程における据え込みの荷重よりも小さい荷重によって据え込み加工を行う、スパークプラグの製造方法。
3. 請求項１または２に記載のスパークプラグの製造方法であって、
   前記芯材は、前記カップに先に挿入される先端側に径小部が形成され、後端側に径小部よりも径の大きな径大部が形成されており、
   前記封止工程では、前記芯材の径大部の側周面と前記カップとが、前記軸線方向の少なくとも一部において、全周にわたって塞がれる、スパークプラグの製造方法。

Images