JP6170526B2 - スパークプラグ - Google Patents
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Description
[スパークプラグの構成]
図1および図2を参照して、第1実施形態におけるスパークプラグ10の概略構成を説明する。図1は、第1実施形態のスパークプラグ10を、中心軸PXに直交する方向に見たときの概略側面図である。図1には、スパークプラグ10の中心軸PXが一点鎖線で図示されている。図1では、スパークプラグ10の中心軸PXより紙面右側は、便宜上、内部構成を示す概略断面によって図示されている。図1には、さらに、中心軸PXに平行な方向(「軸線方向」とも呼ぶ。)であって、スパークプラグ10の後端側から先端側に向かう方向を示す矢印PDが図示されている。中心軸PXおよび矢印PDは、他の各図においても適宜図示されている。図2は、スパークプラグ10を、先端側から後端側に向かって軸線方向に沿って見たときの概略平面図である。なお、図2では、便宜上、スパークプラグ10における先端側の部位以外の図示は省略されている。
図3は、図2に示すX−X切断における接地電極13と主体金具40の接合部位の断面を示す概略断面図である。図2のX−X切断における断面は、スパークプラグ10の中心軸PXと、基端部13aの中心軸EXと、を含む断面CPに相当する。以下では、断面CPを「中心断面CP」とも呼ぶ。接地電極13は、構成材料が異なる複数の部位によって構成されており、少なくとも、外皮部50と、中間部51と、芯部52と、を有している。
<NCF601に含まれる成分>
・Ni…58〜63重量%
・クロム(Cr)…21〜25重量%
・ケイ素(Si)…0〜0.5重量%
・Al…1.0〜1.7重量%
・マンガン(Mn)…0〜0.5重量%
・炭素(C)…0.02〜0.05重量%
・残部は不可避不純物とFe
「不可避不純物」は、例えば、0.03重量%以下のリン(P)や、0.03重量%以下の硫黄(S)などである。
図4および図5を参照して、接地電極13の基材の製造工程およびその基材の主体金具40への溶接工程を順に説明する。図4に模式的に示されている第1工程から第3工程は、接地電極13の基材の製造工程である。第1工程では、第1基材70と、第2基材75と、が準備され、それら2つの基材70,75を一体化した第3基材78が作製される(図4の(a)欄)。
図6〜図8を参照して、第1実施形態における接地電極13と主体金具40との接合部位の他の構成例を説明する。図6〜図8にはそれぞれ、接地電極13と主体金具40との接合部位の概略断面が例示されている。図6〜図8のそれぞれに示されている断面は、接地電極13の基端部13aにおける中心軸EXと、スパークプラグ10の中心軸PX(図示は省略)と、を含む中心断面CPである。
以上のように、第1実施形態のスパークプラグ10によれば、内部に中間部51を含むことによって接地電極13の耐熱性が高められている。また、接地電極13と主体金具40との溶接界面に、中間部51の構成材料や外部の異物が存在することが抑制されており、接地電極13の主体金具40に対する溶接強度が高められされている。その他に、第1実施形態のスパークプラグ10によれば、上記の実施形態中で説明した種々の作用効果を奏することができる。
[接地電極の接合部位の構成]
図9は、本発明の第2実施形態のスパークプラグ10における接地電極13と主体金具40との接合部位の概略断面図である。第2実施形態におけるスパークプラグ10の構成は、接合部位における構成が以下に説明するように異なっている点以外は、第1実施形態のスパークプラグ10とほぼ同じである。図9に示されている断面は、第1実施形態で説明したのと同様に、接地電極13の基端部13aにおける中心軸EXと、スパークプラグ10の中心軸PX(図示は省略)と、を含む中心断面CPである。なお、図9では、溶接工程の後に削除された接合部位の膨らみが破線で図示されている。
図10は、第2実施形態における接地電極基材85の溶接工程を模式的に示す説明図である。接地電極基材85(図10の(a)欄)は、第1実施形態で説明したのと同様な工程(図4)によって準備される。第2実施形態における接地電極基材85の溶接工程では、溶接の前に、接地電極基材85の後端部83における層構造の歪みを整えるための加工がおこなわれる(図10の(b)欄)。具体的には、接地電極基材85が切り出されたときの切断方向とは反対の方向(矢印GDの方向)を主な研磨方向とする研磨加工などがおこなわれる。
図11〜図13を参照して、第2実施形態で説明した接地電極13と主体金具40との接合部位の他の構成例を説明する。図11〜図13にはそれぞれ、接地電極13と主体金具40との接合部位の概略断面が例示されている。図11〜図13のそれぞれに示されている断面は、接地電極13の基端部13aにおける中心軸EXと、スパークプラグ10の中心軸PX(図示は省略)と、を含む中心断面CPである。
以上のように、第2実施形態のスパークプラグ10であれば、少なくとも、中心断面CPにおいて中心軸EXの両側に2つの交点PIが生じるように、接地電極13と主体金具40とが溶接されており、両者の間の溶接強度が高められている。その他に、第2実施形態のスパークプラグ10によれば、第1実施形態で説明したのと同様な種々の作用効果を奏することができる。
図14〜図26を参照して、上記の各実施形態において説明した種々の断面構成を有する接地電極13の接合部位についての実験例1〜5を説明する。実験例1〜5では、主体金具40に接地電極基材85が溶接され、接地電極基材85に曲げ加工が施される前のサンプルに対して接合性を評価するための種々の試験をおこなった。
各サンプルでは、主体金具40を炭素鋼によって構成し、接地電極基材85の外皮部50をNCF601によって構成し、中間部51をCuによって構成し、芯部52をNiによって構成した。また、接地電極基材85の接合部位における断面構成が異なるように、抵抗溶接における通電制御の条件や、接地電極基材85の後端部の加工条件等を変えた。
図14の表には、各実験例1〜5において試験された各サンプルにおける接地電極基材85の接合部位が有する中心断面CPの断面構成の類型がまとめられている。表中のタイプA〜Dは、第1実施形態において説明した断面構成であり、タイプE〜Hは、第2実施形態において説明した断面構成である。各タイプA〜Hと、上記実施形態において説明した構成との具体的な対応は以下の通りである。
タイプA:図8の断面構成(第1実施形態のバリエーション)
タイプB:図6の断面構成(第1実施形態のバリエーション)
タイプC:図7の断面構成(第1実施形態のバリエーション)
タイプD:図3の断面構成(第1実施形態の構成)
タイプE:図12の断面構成(第2実施形態のバリエーション)
タイプF:図13の断面構成(第2実施形態のバリエーション)
タイプG:図11の断面構成(第2実施形態のバリエーション)
タイプH:図9の断面構成(第2実施形態の構成)
実験例1〜5では、接地電極基材85の接合性を評価するための試験として、(a)溶接強度評価試験、(b)折損強度評価試験、(c)金具状態評価試験、(d)耐酸化性評価試験、のうちのいずれかをおこなった。各試験の具体的な内容は以下の通りである。
接地電極基材85の先端側の部位を主体金具40の中心軸MXに向かってほぼ90°折り曲げた後、再び、真っ直ぐな状態に戻す曲げ動作を、接地電極基材85が破断するまで繰り返し、その破断に至るまでの曲げ回数を計測した。なお、接地電極基材85を曲げる支点の位置は、接地電極基材85の後端側の端部位置(接合部位)から先端側に約1mm離れた位置とした。接地電極基材85の曲げ回数は、中心軸MXに向かってほぼ90°に折り曲げたときに+1回とし、真っ直ぐに戻すために曲げたときに+1回とした。
接地電極基材85の先端部に50gのおもりを取り付け、以下の条件で振動を与え、接地電極基材85が破断するまでの時間を計測した。
<振動条件>
・周波数:50〜200Hz
・周波数の変動周期(周波数の上限値から下限値、または、下限値から上限値に変化させるまでの時間):0.5分
・加速度:5G
各サンプルの中心断面CPにおいて、主体金具40に中間部51の構成材料であるCuが進入している部位の有無を、目視により確認した。
高温環境下と低温環境下とに周期的に交互に所定のサイクル数だけ曝す温度負荷を、各サンプルに与え、温度負荷を与える前後での接地電極基材85の幅の変化を検証した。より具体的には、以下の条件の温度負荷を与え、温度負荷を与える前の接地電極基材85の幅T1に対する温度負荷を与えた後の接地電極基材85の幅T2の割合(T2/T1)を求めた。
<温度負荷の条件>
・高温環境下の温度と曝露時間:1100℃、2分間
・底温環境下の温度と曝露時間:室温(約20℃)、1分間
・温度負荷を与えるサイクル数:10000回
図15は、実験例1の試験結果をまとめた表を示す説明図である。実験例1では、以下の3つのサンプルS11〜S13について、溶接強度評価試験をおこなった。サンプルS11は、タイプZの断面構成を有しており、中心断面CPに上記実施形態で説明した交点PIを含んでいなかった。サンプルS12は、タイプAの断面構成を有しており、中心断面CPに1つの交点PIを含んでいた。サンプルS13は、タイプEの断面構成を有しており、中心断面CPに2つの交点PIを含んでいた。
図16は、実験例2の試験結果をまとめた表を示す説明図である。実験例2では、以下の3つのサンプルS21〜S24について、溶接強度評価試験をおこなった。サンプルS21はタイプBの断面構成を有しており、第1境界線BLaは、交点PIから中心軸EXに直交する方向に沿って延びていた。これに対して、サンプルS22はタイプDの断面構成を有しており、第1境界線BLaは、交点PIから後端側ほど中心軸EXとの間の距離が大きくなるように後端側に向かって延びていた。
図17は、実験例3の試験結果をまとめた表を示す説明図である。実験例3では、以下の3つのサンプルS31〜S33について、折損強度評価試験をおこなった。サンプルS31は、タイプGの断面構成を有しており、その外皮部50の第1外表面61および第2外表面62は、湾曲部61c,62cを有していなかった。これに対して、サンプルS32,S33は、タイプHの断面構成を有しており、その外皮部50の第1外表面61および第2外表面62は、湾曲部61c,62cを有していた。サンプルS32の湾曲部61c,62cは、0.5mm未満の曲率半径を有していたのに対して、サンプルS33の湾曲部61c,62cは、0.5mm以上の曲率半径を有していた。
図18は、実験例4の試験結果をまとめた表を示す説明図である。実験例4では、断面構成と溶融深さLとが異なる各サンプルについて、溶接強度評価試験と、金具状態評価試験と、をおこなった。実験例4における各サンプルのサンプル番号では、符号「S」の次の2桁の数字は、断面構成のタイプに対応しており、ハイフンの次の末尾の数字は、その値が大きいほど融深さLが大きいことを示している。
図19〜図26は、実験例5の試験結果をまとめた表を示す説明図である。実験例5では、断面構成と、溶融深さLと、外皮部50におけるAlの含有量と、が異なる各サンプルについて、溶接強度評価試験と、耐酸化性評価試験と、をおこなった。図19〜図26にはそれぞれ、サンプル番号の符号「S」の次の2桁の数字が同じもののサンプル群についての表が示されている。
D1.変形例1:
上記の各実施形態(それらのバリエーションを含む。以下、同じ。)では、外皮部50は、接地電極13の最外層に形成されている。これに対して、接地電極13では、外皮部50の外側に、さらに、異なる材料層が形成されていてもよい。また、上記の各実施形態では、外皮部50の層と中間部51の層とは隣り合って形成されており、中間部51の層と芯部52の層とが隣り合って形成されている。これに対して、外皮部50の層と中間部51の層との間や、中間部51の層と芯部52の層との間に、異なる材料層が介挿されてもよい。
上記の各実施形態においては、中心断面CPにおいて、外周側領域と内周側領域の両方において、第1境界線BLaが、後端側ほど基端部13aにおける中心軸EXとの間の距離が大きくなるように、後端側に向かって延びている構成が説明されている。これに対して、中心断面CPにおいて、第1境界線BLaは、外周側領域と内周側領域のいずれか一方においてのみ、後端側ほど基端部13aにおける中心軸EXとの間の距離が大きくなるように、後端側に向かって延びていてもよい。
上記の各実施形態においては、中心断面CPにおいて、外皮部50の第1外表面61および第2外表面62のそれぞれに湾曲部61c,62cが形成されている構成が説明されている。これに対して、中心断面CPにおいて、外皮部50の第1外表面61および第2外表面62の両方に湾曲部が形成されていなくてもよく、第1外表面61および第2外表面62のいずれか一方にのみ湾曲部が形成されていてもよい。また、中心断面CPにおいて、外皮部50が2つの湾曲部61c,62cを有している構成において、いずれか一方の曲率半径のみが0.5mm以上であってもよい。なお、各実施形態で説明したバリエーションの構成においても例示されているように、外皮部50は、中心断面CPにおいて、必ずしも、湾曲部61c,62cを有していなくてもよい。ただし、中心断面CPにおいて、外皮部50の第1外表面61および第2外表面62の両方に湾曲部61c,62cが形成されている方が、接地電極13の強度をより高めることができるため望ましい。
上記の各実施形態においては、中心断面CPにおいて、外皮部50と芯部52とが直接的に接している第2多層部位56は、内周側領域と外周側領域の両方に形成されている。しかしながら、第2多層部位56は、内周側領域と外周側領域のうちの少なくとも一方にのみ形成されていてもよい。
上記第2実施形態の図9の断面構成では、芯部52と主体金具40との境界線である第2境界線BLbは、主体金具40側に湾曲している。これに対して、第2境界線BLbは、湾曲していなくてもよく、頂点において屈曲していてもよい。また、主体金具40側に突出する複数の凸部が形成されていてもよい。また、上記第2実施形態の図9の断面構成では、芯部52の後端部は、外周側領域と内周側領域の両方において、中心軸EXに交差する方向に湾曲している。これに対して、芯部52の後端部は、外周側領域と内周側領域のうちの片側においてのみ湾曲していてもよい。また、芯部52の後端部は、中心軸EXに交差する方向に湾曲していなくてもよく、例えば、頂点において屈曲していてもよい。
上記の各実施形態における外皮部50や、中間部51、芯部52は、上記の各実施形態で具体的に例示されている材料以外の金属材料によって構成されてもよい。外皮部50は、Ni基耐熱合金以外の金属材料によって構成されてもよし、中間部51は、Cu以外の金属によって構成されてもよい。芯部52は、Ni以外の材料によって構成されてもよい。
11…中心電極
11e…先端部
13…接地電極
13a…基端部
13b…先端部
14…チップ部
20…絶縁体
21…軸孔
30…端子部
31…後端部
35…抵抗体
36,37…ガラスシール材
40…主体金具
41…筒孔
42…開口端部
43…ねじ部
45…工具係合部
47…加締部
50…外皮部
50t…端部部位
51…中間部
52…芯部
52t…端部部位
55…第1多層部位
56…第2多層部位
61…第1外表面
61s…ストレート部
61c…湾曲部
62…第2外表面
62s…ストレート部
62c…湾曲部
70…第1基材
71…芯部基材
72…中間部基材
72h…筒孔
75…第2基材
75h…筒孔
78…第3基材
80…延伸基材
81…先端側部位
82…先端部
83,83a…後端部
85…接地電極基材
CP…中心断面
BLa,BLb,BLc…境界線
PI…交点
Claims (11)
- 中心電極と、
前記中心電極を収容する絶縁体と、
前記絶縁体を収容する主体金具と、
前記中心電極の先端部に対して所定の間隙を有して配置されている先端部と、前記中心電極に沿って延び、前記主体金具に接合されている基端部と、を有する接地電極と、
を備えるスパークプラグにおいて、
前記基端部は、
表面側に配置されている外皮部と、
前記外皮部よりも熱伝導率が高い中間部と、
前記中間部よりも硬度が高い芯部と、
を有し、
前記スパークプラグの中心軸と、前記基端部における中心軸と、を含む断面には、
前記外皮部よりも内側に前記中間部が配置されるとともに、前記芯部が前記中間部よりも内側に配置されている第1部位と、
前記第1部位よりも後端側に位置し、前記外皮部と前記芯部とが直接的に接している第2部位と、
前記主体金具と前記外皮部との境界線である第1境界線と、
前記主体金具と前記芯部との境界線である第2境界線と、
前記外皮部と前記芯部との境界線であって、前記外皮部と前記中間部との境界線の後端側端部から、表面側に向かって延びている第3境界線と、
が1つに合流する交点と、
が含ま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、
前記断面には、前記交点が、前記基端部における中心軸を挟んで両側にそれぞれ存在している、スパークプラグ。 - 請求項1または請求項2記載のスパークプラグにおいて、
前記第1境界線は、前記交点から、後端側ほど前記基端部における中心軸に対する距離が大きくなるように延びている、スパークプラグ。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のスパークプラグにおいて、
前記外皮部は、前記中心電極側を向く第1外表面と、前記第1外表面とは反対側を向く第2外表面と、を有し、
前記第1外表面および前記第2外表面の少なくとも一方は、前記断面において、先端側から後端側に向かって略直線状に延びるストレート部と、前記ストレート部から後端側に向かって外側に湾曲している湾曲部と、を有している、スパークプラグ。 - 請求項4記載のスパークプラグにおいて、
前記断面において、前記湾曲部は、0.5mm以上の曲率半径を有する、スパークプラグ。 - 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のスパークプラグにおいて、
前記断面において、前記第2境界線は、前記主体金具に向かって湾曲している、スパークプラグ。 - 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のスパークプラグにおいて、
前記接地電極は、前記主体金具の先端端部における端面に接合されており、
前記先端端部のうちの前記接地電極が接合されていない部位の端面が含まれる仮想平面を規定したときに、前記断面において、前記仮想平面を表す仮想直線と、前記接地電極と前記主体金具と境界線と、の間の距離の最大値Lは、先端側から後端側に向かう方向を正とする場合において、L>0mmの関係を満たす、スパークプラグ。 - 請求項7記載のスパークプラグにおいて、
前記最大値Lは、L≧0.2mmの関係を満たす、スパークプラグ。 - 請求項7記載のスパークプラグにおいて、
前記最大値Lは、L≧0.4mmの関係を満たす、スパークプラグ。 - 請求項7から請求項9のいずれか一項に記載のスパークプラグにおいて、
前記最大値Lは、L<1.5mmの関係を満たす、スパークプラグ。 - 請求項1から請求項10記載のいずれか一項に記載のスパークプラグにおいて、
前記外皮部におけるアルミニウムの含有量WPは、0重量%<WP<5.0重量%である、スパークプラグ。
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