JP6180393B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は、スパークプラグに関する。

一般に、スパークプラグは、その先端側に中心電極と接地電極とを有している。中心電極は、絶縁体の軸孔に保持された状態で、絶縁体の先端から突出している。一方、接地電極は、主体金具の先端部に抵抗溶接等により溶接されている。

スパークプラグの一種として、接地電極の熱引き性能を向上させるために、接地電極の中に熱伝導率の高い材料（例えばＣｕ）で形成された伝熱部を設けたタイプが存在する（特許文献１，２）。伝熱部は熱伝導率が高いので、接地電極の熱引き性能が向上し、接地電極の先端の火花放電により生じた熱を、効率的に主体金具に逃がすことが可能となる。そのため、接地電極における伝熱部の占有率が高くなる程、熱を効率的に主体金具に逃がすことができる。

特開２０１１−１８１５２３号公報 特開平１１−１８５９２８号公報

しかし、伝熱部は熱伝導率の高い材料で構成されているので主体金具に溶接されず、伝熱部の外側にある外層が主体金具に溶接される。従って、接地電極と主体金具の溶接強度は、伝熱部の無いタイプの接地電極に比べて低下する。一方、スパークプラグは急激な温度変化（冷熱衝撃）が発生する環境下で使用されるので、接地電極には大きな熱応力が発生する。このため、内部に伝熱部を有する接地電極では、接地電極と主体金具の溶接強度が不十分となり、熱応力等の応力により破損する可能性があるという課題があった。この課題は特に、接地電極における伝熱部の占有率が高くなる程に生じる可能性が高くなる。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、主体金具の先端に接合された接地電極であって、棒状の基端部と、前記基端部の先端側に設けられ、中心電極側に曲げられた曲げ部とを有する接地電極を備え、前記基端部が、外層部と、前記外層部の内部に配置された前記外層部よりも熱伝導率の高い内層部とを有するスパークプラグが提供される。このスパークプラグは、前記スパークプラグの軸線方向に垂直な前記基端部の断面が、前記主体金具の径方向に沿った厚みと、前記径方向に垂直な方向に沿った幅とを有し、前記内層部の断面中心が、前記基端部の断面中心から前記基端部の幅方向に偏心していることを特徴とする。
このスパークプラグによれば、内層部の断面中心が基端部の断面中心から基端部の幅方向に偏心しているので、主体金具への基端部の溶接位置の位置ズレに関する余裕を十分に確保しつつ、接地電極の溶接強度を高めることができる。

（２）上記スパークプラグにおいて、前記内層部の断面中心の偏心量は、前記基端部の幅の２％以上であるものとしてもよい。
このスパークプラグによれば、主体金具への基端部の溶接位置の位置ズレに関する余裕を十分に確保しつつ、接地電極の溶接強度を十分に高めることができる。

（３）上記スパークプラグにおいて、前記内層部の断面中心の偏心量は、前記基端部の幅の１０％以下であるものとしてもよい。
このスパークプラグによれば、内層部を過度に偏心させること無しに接地電極の溶接強度を十分に高めることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、スパークプラグの製造方法等の形態で実現することができる。

一実施形態としてのスパークプラグを示す正面図。 スパークプラグの先端部における主体金具と接地電極の断面を示す説明図。 接地電極の基端部の３−３断面を示す模式図。 内層部の偏心量と溶接強度との関係を示す説明図。 内層部の偏心量と溶接強度との関係を示す説明図。

図１は、本発明の一実施形態としてのスパークプラグ１００を示す正面図である。図１において、スパークプラグ１００の発火部が存在する下側をスパークプラグ１００の先端側と定義し、上側を後端側と定義して説明する。このスパークプラグ１００は、絶縁体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とを備えている。絶縁体１０は、軸線Ｏに沿って延びる軸孔を有している。なお、軸線Ｏを「中心軸」とも呼ぶ。中心電極２０は、軸線Ｏに沿って延びる棒状の電極であり、絶縁体１０の軸孔内に挿入された状態で保持されている。接地電極３０は、一端が主体金具５０の先端５２に固定され、他端が中心電極２０と対向する電極である。端子金具４０は、電力の供給を受けるための端子であり、中心電極２０に電気的に接続されている。主体金具５０は、絶縁体１０の周囲を覆う筒状の部材であり、絶縁体１０を内部に固定している。主体金具５０の外周には、ねじ部５４が形成されている。ねじ部５４は、ねじ山が形成された部位であり、スパークプラグ１００をエンジンヘッドに取付ける際にエンジンヘッドのねじ孔に螺合する。

図２は、スパークプラグ１００の先端部における主体金具５０と接地電極３０の断面を示している。接地電極３０は、主体金具５０の先端５２に接合された棒状の基端部３０ａと、基端部３０ａの先端側に設けられ、中心電極２０側に曲げられた曲げ部３０ｂと、曲げ部３０ｂの更に先端側に設けられた先端部３０ｃとを有する。また、接地電極３０は、外層部３０ｏｕｔと、外層部３０ｏｕｔの内部に配置された内層部３０ｉｎとを有する。内層部３０ｉｎは、外層部３０ｏｕｔよりも熱伝導率の高い金属材料で形成されている。外層部３０ｏｕｔは、例えばニッケル基合金（インコネル６００，インコネル６０１等）で形成される。また、内層部３０ｉｎは、例えば、銅（Ｃｕ）やニッケル（Ｎｉ）などで形成される。この内層部３０ｉｎは、接地電極３０の先端部３０ｃで発生する熱を主体金具５０に逃がすための伝熱部としての機能を有する。このため、内層部３０ｉｎは、基端部３０ａの主体金具５０との界面から始まり、先端部３０ｃが軸線Ｏと交わる位置の近傍まで延びている。

図３（Ａ）は、図２の接地電極３０の基端部３０ａにおける３−３断面（軸線Ｏの方向に垂直な断面）の一例を示す模式図である。なお、ここでは接地電極３０の基端部３０ａと主体金具５０との当接面から先端側に１ｍｍの位置での断面を３−３断面とした。内層部３０ｉｎは、その全周が外層部３０ｏｕｔの中に包含されている。図３（Ａ）に示す各種の符号の意味は以下の通りである。なお、本願でいう断面中心とは、断面形状の幾何学的な重心を意味し、これは、３−３断面の断面画像をＣＡＤにてトレースすることで算出している。
（１）Ｔｏｕｔ，Ｗｏｕｔ：外層部３０ｏｕｔの厚み及び幅
（２）Ｔｉｎ，Ｗｉｎ：内層部３０ｉｎの厚み及び幅
（３）Ｃｏｕｔ：外層部３０ｏｕｔの断面中心（断面形状の幾何学的な重心）
（４）Ｃｉｎ：内層部３０ｉｎの断面中心（断面形状の幾何学的な重心）
（５）δＣ：外層部３０ｏｕｔの断面中心Ｃｏｕｔを基準とした内層部３０ｉｎの断面中心Ｃｉｎの偏心量
（６）Ｘ，Ｙ：基端部３０ａの幅方向及び厚み方向

なお、基端部３０ａの厚み方向Ｙは、主体金具５０の径方向（軸線Ｏから外側に向かう方向）であり、基端部３０ａの幅方向Ｘはこれに垂直な方向である。また、外層部３０ｏｕｔの厚みＴｏｕｔ及び幅Ｗｏｕｔは、基端部３０ａの厚み及び幅と同じである。

図３（Ａ）から理解できるように、内層部３０ｉｎの断面中心Ｃｉｎと、外層部３０ｏｕｔの断面中心Ｃｏｕｔとは、基端部３０ａの厚み方向Ｙの位置はほぼ同じであるが、幅方向Ｘにずれている。換言すれば、内層部３０ｉｎは、外層部３０ｏｕｔから偏心している。前述したように、内層部３０ｉｎはＣｕなどの熱伝導率の高い部材で形成されているので、主体金具５０に溶接されず、外層部３０ｏｕｔのみが主体金具５０に溶接される。図３（Ａ）に示すように、内層部３０ｉｎを外層部３０ｏｕｔから右側に偏心させると、外層部３０ｏｕｔが主体金具５０に溶接される大面積の接合部分が基端部３０ａの左側に形成される。後述するように、このように内層部３０ｉｎを偏心させた状態で溶接強度を算出すると、偏心により生成された大面積の接合部分が基端部３０ａと主体金具５０との溶接強度を高めることが確認された。

なお、内層部３０ｉｎの断面形状は、基端部３０ａの断面形状に相似であることが好ましい。このような断面形状を採用すれば、内層部３０ｉｎと外層部３０ｏｕｔの界面に冷熱衝撃（急激な温度変化）による応力集中が起こる可能性を低減できるので、接地電極３０の強度を高めることが可能である。

なお、内層部３０ｉｎを偏心させる方向としては、基端部３０ａの幅方向Ｘでは無く、厚み方向Ｙを選択することも考え得る。しかしながら、基端部３０ａの厚み方向Ｙに関しては、溶接時の位置決めの余裕が小さい。この理由は、基端部３０ａの厚み方向Ｙは主体金具５０の径方向に相当しており、主体金具５０の径方向の厚みと基端部３０ａの厚みＴｏｕｔはほぼ同じ大きさに設定されているからである。すなわち、接地電極３０の溶接位置がその厚み方向Ｙにずれると、接地電極３０と主体金具５０との間の接合部分が主体金具５０の径方向にずれることになるので、溶接強度が過度に小さくなる可能性がある。一方、基端部３０ａの幅方向Ｘ（接地電極３０の幅方向）には主体金具５０の先端５２が円環状に続いているので、基端部３０ａの幅方向Ｘに関して溶接位置が多少ずれたとしても溶接強度に対する影響は比較的小さい。本願の発明者は、これらの点を考慮して、内層部３０ｉｎを偏心させる方向として基端部３０ａの厚み方向Ｙでは無く、基端部３０ａの幅方向Ｘを選択したものである。すなわち、内層部３０ｉｎを基端部３０ａの幅方向Ｘに偏心させることによって、主体金具５０への基端部３０ａの溶接位置の位置ズレに関する余裕を十分に確保しつつ、接地電極３０の溶接強度を高めることができる。但し、内層部３０ｉｎを、基端部３０ａの幅方向Ｘのみでなく、基端部３０ａの厚み方向Ｙにも多少偏心させるようにしてもよい。

図３（Ｂ）は、図２の接地電極３０の基端部３０ａにおける３−３断面（軸線Ｏの方向に垂直な断面）の他の例を示す模式図である。この例では、内層部３０ｉｎは、伝熱部３０ｈｔと、伝熱部３０ｈｔの更に内部に形成された芯部３０ｃｏとの２層構造を有している。従って、基端部３０ａの断面の全体は、３層構造を有している。伝熱部３０ｈｔは、Ｃｕ等の高熱伝導率の金属部材で形成されている。芯部３０ｃｏは、外層部３０ｏｕｔと伝熱部３０ｈｔの中間的な熱伝導率の金属部材（例えばＮｉ）で形成されている。図３（Ｂ）で使用されている符号は、図３（Ａ）と同じ定義で使用されている。なお、図３（Ｂ）において、内層部３０ｉｎの断面中心Ｃｉｎは、伝熱部３０ｈｔと芯部３０ｃｏの和を取った領域の中心である。なお、内層部３０ｉｎが伝熱部３０ｈｔと芯部３０ｃｏを含む場合には、両者の断面中心が一致することが好ましいが、両者の断面中心が多少ずれていても良い。

図２及び図３に示すような多層構造の接地電極３０は、例えば特開２０１１−１８１５２３号公報に記載された製造方法に従って製造することが可能である。

図４は、複数のサンプルＳ０１〜Ｓ０８に関して、内層部３０ｉｎの偏心量δＣと溶接強度との関係を示す説明図である。ここでは、接地電極３０の基端部３０ａの断面形状として、図３（Ａ）に示した２層構造を採用し、サンプルの寸法は以下の通りとした。
（１）外層部３０ｏｕｔの厚みＴｏｕｔ＝１．１ｍｍ、幅Ｗｏｕｔ＝２．２ｍｍ
（２）内層部３０ｉｎの厚みＴｉｎ＝０．５ｍｍ，幅Ｗｉｎ＝１．６ｍｍ
（３）接地電極３０の全体の長さは８ｍｍ、内層部３０ｉｎの長さは５ｍｍとした。

なお、接地電極３０の形状としては、曲り部３０ｂの無い直線状の部材を想定した。また、接地電極３０と主体金具５０の界面において、外層部３０ｏｕｔのみが溶接されるものとし、溶接後の断面形状も図３（Ａ）に従うものと仮定した。溶接強度は、接地電極３０を１ｍｍ／分の速度で軸線Ｏ（図１）の方向に沿って引っ張ったときの引張強さであり、接地電極３０と主体金具５０の溶接部分を有限要素法で解析することによって算出した値である。

図４（Ａ）のグラフには、図４（Ｂ）の各サンプルＳ０１〜Ｓ０８の偏心量δＣ［％］と、溶接強度との関係が示されている。偏心量δＣ［％］は、偏心量の絶対値（Ｃｉｎ−Ｃｏｕｔ）を基端部３０ａの幅Ｗｏｕｔで除した値である（図３（Ａ）参照）。このグラフから理解できるように、内層部３０ｉｎを偏心させることによって、偏心の無い場合に比べて溶接強度が上昇する。この理由は、偏心により生成された大面積の接合部分が基端部３０ａと主体金具５０との溶接強度を高めるからであると推定される。また、内層部３０ｉｎの偏心量δＣを２％以上とすれば溶接強度を十分に高めることが可能である。

図５は、図４とは寸法が異なる複数のサンプルＳ１１〜Ｓ１８に関して、内層部３０ｉｎの偏心量δＣと溶接強度との関係を示す説明図である。ここでは、接地電極３０の基端部３０ａの断面形状として、図３（Ａ）に示した２層構造を採用し、サンプルの寸法は以下の通りとした。
（１）外層部３０ｏｕｔの厚みＴｏｕｔ＝１．３ｍｍ、幅Ｗｏｕｔ＝２．７ｍｍ
（２）内層部３０ｉｎの厚みＴｉｎ＝０．５ｍｍ，幅Ｗｉｎ＝１．９ｍｍ
（３）接地電極３０の全体の長さは８ｍｍ、内層部３０ｉｎの長さは５ｍｍとした。

図５（Ａ）のグラフでは、図４（Ａ）のグラフと同様の傾向があることが理解できる。すなわち、内層部３０ｉｎを偏心させることによって、偏心の無い場合に比べて溶接強度が上昇する。また、内層部３０ｉｎの偏心量δＣを２％以上とすれば溶接強度を十分に高めることが可能である。

なお、図４（Ａ），図５（Ａ）のいずれも場合にも、内層部３０ｉｎの偏心量δＣは１０％を越えてもよいが、偏心量δＣが１０％を越えて増加すると溶接強度の増加率はやや低下する。一方、偏心量δＣが１０％を越えて増加すると、偏心により外層部３０ｏｕｔの肉厚が薄くなる部分（図３（Ａ）の右端部分）の肉厚が更に減少するので、製造バラツキにより内層部３０ｉｎが外部に露出する可能性がある。この意味からは、内層部３０ｉｎの偏心量δＣは、１０％以下とすることが好ましい。

・変形例
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。

・変形例１：
スパークプラグとしては、図１に示したもの以外の種々の構成を有するスパークプラグを本発明に適用することが可能である。特に、端子金具や絶縁体の具体的な形状については、様々な変形が可能である。

・変形例２：
上述した実施形態では、接地電極３０の基端部３０ａの断面形状を矩形であるものとしたが、その四隅をまるめた略矩形形状としても良い。また、矩形や略矩形以外の他の断面形状を採用してもよい。

１０…絶縁体
２０…中心電極
３０…接地電極
３０ａ…基端部
３０ｂ…曲げ部
３０ｃ…先端部
３０ｃｏ…芯部
３０ｈｔ…伝熱部
３０ｉｎ…内層部
３０ｏｕｔ…外層部
４０…端子金具
５０…主体金具
５２…先端
５４…ねじ部
１００…スパークプラグ

Claims (3)

1. 主体金具の先端に接合された接地電極であって、棒状の基端部と、前記基端部の先端側に設けられ、中心電極側に曲げられた曲げ部とを有する接地電極を備え、前記基端部が、外層部と、前記外層部の内部に配置された前記外層部よりも熱伝導率の高い内層部とを有するスパークプラグであって、
   前記スパークプラグの軸線方向に垂直な前記基端部の断面が、前記主体金具の径方向に沿った厚みと、前記径方向に垂直な方向に沿った幅とを有し、前記内層部の断面中心が、前記基端部の断面中心から前記基端部の幅方向に偏心していることを特徴とするスパークプラグ。
2. 請求項１に記載のスパークプラグにおいて、
   前記内層部の断面中心の偏心量は、前記基端部の幅の２％以上であることを特徴とするスパークプラグ。
3. 請求項２に記載のスパークプラグにおいて、
   前記内層部の断面中心の偏心量は、前記基端部の幅の１０％以下であることを特徴とするスパークプラグ。

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