JP6253609B2

JP6253609B2 - スパークプラグ

Info

Publication number: JP6253609B2
Application number: JP2015065517A
Authority: JP
Inventors: 喜知岩崎; 治樹吉田; 稔貴本田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2035-03-27
Also published as: EP3073589B1; CN106025801A; CN106025801B; EP3073589A1; US9711951B2; US20160285242A1; JP2016184563A

Description

本発明は、ガラスシールを用いたスパークプラグに関する。

従来、筒状の絶縁体の内部に抵抗体が組み込まれたスパークプラグが知られている（例えば、特許文献１参照）。この種のスパークプラグでは、絶縁体の貫通孔の一方の端部側に端子金具が配置され、また他方の端部側には中心電極が配置される。抵抗体は、この端子金具と中心電極との間に配置される。

絶縁体の貫通孔に収納された抵抗体は、カーボンブラック粉末や金属粉末等の導電性物質とガラス粉末との混合物からなる。抵抗体における金属の含有量は、それほど高くないため、金属製の端子金具や中心電極との直接の接合は困難な場合が多い。このため、抵抗体と端子金具、あるいは抵抗体と中心電極との間に、抵抗体よりは多量の金属粉末を含有した導電性ガラスシール層を配置して接合力を高めることも行なわれている。

こうした抵抗体入りスパークプラグの製造工程の一例を以下に示す。
（１）絶縁体の貫通孔に中心電極を配置した後、導電性ガラス粉末を充填し、その後、抵抗体組成物の原料粉末を充填し、更に導電性ガラス粉末を再び充填し、最後に端子金具を挿入して組立体を作成する。
（２）この組立体を加熱炉内に搬入して、抵抗体組成物および導電性ガラス粉末に含まれるガラスの軟化点以上に加熱する。これにより、抵抗体組成物の原料粉末および導電性ガラス粉末に含まれるガラスが溶融する。
（３）その後、ガラスが溶融している状態において端子金具をこの端子金具の軸方向に押し込み、ガラスが固化するまで支持状態を保持することにより、抵抗体の前後には、導電性ガラスシール層が形成される。この結果、端子金具と中心電極とが、それぞれ導電性ガラスシール層を介して抵抗体に接合されると共に絶縁体に固定されることになる。

特許文献１に記載のスパークプラグは、導電性ガラスシール層の直径を３．３ｍｍ以下とした場合でも、導電性ガラスシール層と抵抗体との接合面を曲面にすることにより、接合面における剥離の発生を抑制している。

特開２００９−２４５７１６号公報

導電性ガラスシール層と抵抗体との接合面を曲面にしたことにより、両者の接合強度を高めることができたが、従来よりもさらに高い燃焼圧に曝された場合であっても、導電性ガラスシールと絶縁体との気密は、十分なものであることが望ましい。中心電極側の導電性ガラスシール層と絶縁体との気密が破れると、スパークプラグとしての気密を維持できなくなってしまう可能性が生じる。こうしたシール性の低下は、特にスパークプラグを小径化しようとする際に生じ易くなることが懸念される。

そこで、本願は、抵抗体入りの小径のスパークプラグにおいて、十分な気密性を確保し得るスパークプラグを提供することをその課題とする。

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、以下の態様、形態又は適用例として実現することが可能である。
［態様］
筒状の主体金具と、前記主体金具の内部に保持され、前記主体金具の軸線方向に沿った貫通孔が内部に形成された絶縁体と、前記絶縁体の前記貫通孔の一端部に挿入固定された中心電極と、前記絶縁体の前記貫通孔の他端部に挿入固定された端子金具と、前記貫通孔内において、前記中心電極と前記端子金具との間に、前記中心電極とは前記軸線方向に離間して配置された抵抗体と、前記貫通孔内において前記抵抗体と前記中心電極との間に設けられ、前記抵抗体と前記中心電極とを電気的に接続する導電性ガラスシール層とを備えるスパークプラグであって、前記導電性ガラスシール層の直径は３．９ｍｍ以下であり、前記導電性ガラスシール層と前記抵抗体との接合面は、前記中心電極側に凸形状であり、前記軸線方向における前記接合面の後端から先端までの長さをαとし、前記導電性ガラスシール層の前記軸線方向における最大長さをβとしたとき、α／β≧０．４の関係を満たし、前記接合面から、前記中心電極までの前記軸線方向における最短距離γが、３ｍｍ以上であるスパークプラグ。
かかるスパークプラグは、ガラスシール層と抵抗体との密着性がよく、スパークプラグを燃焼室に設置した場合、ガラスシール層と抵抗体との間のシール性を確保することが容易となる。このため、スパークプラグとしての気密性を確保できる。また、前記接合面から、前記中心電極までの前記軸線方向における最短距離γを、３ｍｍ以上としているので、更にシール性を高めることができる。

（１）本発明の一実施形態として、スパークプラグが提供される。このスパークプラグは、筒状の主体金具と、前記主体金具の内部に保持され、前記主体金具の軸線方向に沿った貫通孔が内部に形成された絶縁体と、前記絶縁体の前記貫通孔の一端部に挿入固定された中心電極と、前記絶縁体の前記貫通孔の他端部に挿入固定された端子金具と、前記貫通孔内において、前記中心電極と前記端子金具との間に、前記中心電極とは前記軸線方向に離間して配置された抵抗体と、前記貫通孔内において前記抵抗体と前記中心電極との間に設けられ、前記抵抗体と前記中心電極とを電気的に接続する導電性ガラスシール層とを備えてよい。このスパークプラグにおいて、前記導電性ガラスシール層の直径は３．９ｍｍ以下であってよく、前記導電性ガラスシール層と前記抵抗体との接合面は、前記中心電極側に凸形状であってよい。また、前記軸線方向における前記接合面の後端から先端までの長さをαとし、前記導電性ガラスシール層の前記軸線方向における最大長さをβとしたとき、α／β≧０．４の関係を満たすものとしてよい。

かかるスパークプラグは、ガラスシール層と抵抗体との密着性がよく、スパークプラグを燃焼室に設置した場合、ガラスシール層と抵抗体との間のシール性を確保することが容易となる。このため、スパークプラグとしての気密性を確保できる。

（２）こうしたスパークプラグにおいて、前記接合面から、前記中心電極までの前記軸線方向における最短距離γを、３ｍｍ以上としてよい。こうすれば、更にシール性を高めることができる。

（３）また、スパークプラグにおいて、前記最大長さβを、１１ｍｍ以上としてよい。こうすれば、シール性を一層確保できる。

（４）また、前記導電性ガラスシール層の前記直径を、３.０ｍｍ以下としてよい。こうすれば、小径化されたスパークプラグであっても、スパークプラグとしての気密性を確保できる。この結果、スパークプラグの小径化に資することができる。

（５）こうしたスパークプラグにおいて、前記主体金具の外周にねじ部が形成され、該ねじ部の径は、Ｍ１２以下としてよい。こうすれば、このように小径化されたスパークプラグであっても、スパークプラグとして気密性を確保できる。この結果、スパークプラグの小径化に資することができる。

本発明の一実施形態としてのスパークプラグの構造を示す要部断面図である。本実施形態のスパークプラグの製造手順を示すフローチャートである。抵抗体の基材の作製手順を示すフローチャートである。ガラスシール層と抵抗体との接合面の拡大断面図である。各サンプルの評価結果を示す説明図である。

Ａ．実施形態：
Ａ１．スパークプラグの構成：
図１は、本発明の一実施形態としてのスパークプラグの構造を示す概略断面図である。スパークプラグ１００は、主体金具１と、絶縁体２と、中心電極３と、接地電極４と、端子金具１３とを備えている。図１において、スパークプラグ１００の長手方向の中心を軸線Ｏとして表した。また軸線に沿って、接地電極４側をスパークプラグ１００の先端側、端子金具１３側を後端側、とそれぞれ呼ぶ。

主体金具１は、炭素鋼等の金属により中空円筒状に形成されており、スパークプラグ１００のハウジングを構成する。主体金具１の内部に先端側が収納された絶縁体２は、セラミック焼結体により構成され、軸線Ｏに沿って貫通孔６が形成されている。貫通孔６の一方の端部側には端子金具１３の一部が挿入及び固定され、他方の端部側には中心電極３が挿入及び固定されている。また、貫通孔６内において、端子金具１３と中心電極３との間には抵抗体１５が配置されている。抵抗体１５の両端部は、導電性ガラスシール層１６および端子金具側導電性ガラスシール層１７を介して中心電極３及び端子金具１３にそれぞれ電気的に接続されている。抵抗体１５よりも先端側に位置する導電性ガラスシール層１６が、請求項における導電性ガラスシール層に相当する。

抵抗体１５は、端子金具１３と中心電極３との間における電気的抵抗として機能することにより、火花放電時の電波雑音（ノイズ）の発生を抑制する。抵抗体１５は、セラミック粉末と導電材とガラスとバインダ（接着剤）とから構成されている。本実施形態において、抵抗体１５は、後述する作製手順を経て作製される。

中心電極３は、先端に発火部３１が形成されており、発火部３１が露出した状態で貫通孔６に配置されている。接地電極４は、一端が主体金具１に溶接されている。また、接地電極４の他端側は側方に曲げ返され、その先端部３２が中心電極３の発火部３１に間隙を介して対向するように配置されている。

上記構成を有するスパークプラグ１００の主体金具１の外周には、ねじ部５が形成されている。スパークプラグ１００は、このねじ部５を用いて、エンジンのシリンダヘッドなどに装着される。

Ａ２．スパークプラグの製造：
図２は、本実施形態のスパークプラグの製造手順を示すフローチャートである。図３は、抵抗体の基材の作製手順を示すフローチャートである。図２に示すように、本実施形態のスパークプラグ１００を製造する際には、まず、抵抗体１５の基材を作製する（ステップＳ１０５）。図３に示すように、抵抗体１５の基材の作製では、まず、各材料を湿式ボールミルにて混合させる（ステップＳ２０５）。本実施形態において、ステップＳ２０５の各材料とは、セラミック粉末と、導電材と、バインダとを意味する。セラミック粉末としては、例えば、ＺｒＯ_２及びＴｉＯ_２を含むセラミック粉末を採用できる。導電材としては、例えば、カーボンブラックを採用できる。バインダ（有機バインダ）としては、例えば、ポリカルボン酸等の分散剤を採用できる。これらの各材料に溶媒としての水を加えて湿式ボールミルを用いて攪拌して混合させる。このとき、各材料は混合されるが、各材料の分散度合いは比較的低い。

次に、混合後の各材料を、高速剪断ミキサーにより分散させる（ステップＳ２１０）。高速剪断ミキサーとは、ブレード（攪拌羽根）による強力な剪断力によって材料を大きく分散させながら混合させるミキサーである。高速剪断ミキサーとしては、例えば、アキシャルミキサー（Axial mixer）を採用できる。高速剪断ミキサーによる混合により、各材料の分散度合いは上昇する。

ステップＳ２１０により得られた材料をすぐに、スプレードライ法により造粒する（ステップＳ２１５）。ステップＳ２１５で得られた粉体にガラス（粗粒ガラス粉末）に水を加えて混合し（ステップＳ２２０）、乾燥させることで（ステップＳ２２５）、抵抗体１５の基材（粉体）が完成する。なお、前述のステップＳ２２０の混合に用いる混合器としては、例えば、万能混合器を用いることができる。

抵抗体１５の基材の作製が完了すると、図２に示すように、絶縁体２の貫通孔６に中心電極３を挿入する（ステップＳ１１０）。導電性ガラス粉末を貫通孔６に充填して圧縮する（ステップＳ１１５）。かかる圧縮は、例えば、貫通孔６に棒状の冶具を挿入し、堆積した導電性ガラス粉末を押すことにより実現できる。ステップＳ１１５により形成される導電性ガラス粉末の層は、後述する加熱圧縮工程を経て、図１の導電性ガラスシール層１６となる。導電性ガラス粉末としては、例えば、銅粉末とホウケイ酸カルシウムガラス粉末とを混合した粉末を採用できる。

ステップＳ１０５で作製された抵抗体１５の基材（粉体）を、貫通孔６に充填して圧縮し（ステップＳ１２０）、さらに、導電性ガラス粉末を貫通孔６に充填して圧縮する（ステップＳ１２５）。ステップＳ１２０により形成される粉末の層は、後述する加熱圧縮工程を経て、図１に示す抵抗体１５となる。同様に、ステップＳ１２５により形成される粉末の層は、後述する加熱圧縮工程を経て、図１に示す端子金具側導電性ガラスシール層１７となる。なお、ステップＳ１２５において用いられる導電性ガラス粉末としては、ステップＳ１１５で用いた導電性ガラス粉末と同じ粉末を用いることができる。また、ステップＳ１２０，Ｓ１２５における圧縮方法は、ステップＳ１１５における圧縮方法と同じ方法を採用できる。

端子金具１３の一部を貫通孔６に挿入して、絶縁体２全体を加熱しながら端子金具１３側から所定の圧力を加える（ステップＳ１３０）。この加熱圧縮工程により、貫通孔６に充填された各材料が圧縮及び焼成されて、貫通孔６内に、導電性ガラスシール層１６と、端子金具側導電性ガラスシール層１７と、抵抗体１５とが形成される。

主体金具１に接地電極を接合し（ステップＳ１３５）、絶縁体２を主体金具１に挿入して（ステップＳ１４０）、主体金具１を加締める（ステップＳ１４５）。ステップＳ１４５の加締め工程により、絶縁体２が主体金具１に固定される。次に、主体金具１に接合された接地電極の先端が曲げ加工され（ステップＳ１５０）、図１に示す接地電極４が完成する。その後、図示しないガスケットが主体金具１に取り付けられ（ステップＳ１５５）、スパークプラグ１００が完成する。

次に、こうして作られたスパークプラグ１００の導電性ガラスシール層１６と抵抗体１５の形状について説明する。抵抗体１５と導電性ガラスシール層１６との接合面は、導電性ガラスシール層１６側、即ちスパークプラグ１００の先端側に向かって凸形状とされている。図４は、抵抗体１５と導電性ガラスシール層１６との接合面を示す拡大断面図である。本実施形態では、抵抗体１５と導電性ガラスシール層１６の外径をＲとし、更に、以下の３つの量α，β，γを規定した。
α：抵抗体１５と導電性ガラスシール層１６との接合面の後端から先端までの軸線Ｏに沿った長さ（必要に応じて「昇り量」と言う）。
β：導電性ガラスシール層１６の軸線方向における最大長さ（必要に応じて「シール材長」という）。
γ：抵抗体１５と導電性ガラスシール層１６との接合面から中心電極３までの軸線Ｏ方向における最短距離（必要に応じて「抵抗体間距離」という）。

これらの諸量α，β，γは、作製したスパークプラグ１００を軸線Ｏに垂直な平面でカットし、断面を軸線Ｏ方向に削っていくことにより測定する。図４に、Ａ−Ａ線で示した位置でまずカットし、ここからスパークプラグ１００の後端側に向けて、軸線Ｏに垂直な平面を維持して削っていくと、最初は、絶縁体２と中心電極３のみが断面に露出していた状態だが、やがて導電性ガラスシール層１６が露出する。ここがシール材長βの一端になる。更に削っていくと、断面から中心電極３がなくなり、絶縁体２と導電性ガラスシール層１６のみとなる。この位置が、抵抗体間距離γの一端になる。更に削っていくと、断面の中心に抵抗体１５が現れる。ここが、上記抵抗体間距離γの他端であり、昇り量αの一端になる。

この状態では、断面の最外周には絶縁体２が存在し、その内側に導電性ガラスシール層１６が環状に存在し、中心に抵抗体１５が存在する。ここから更に断面を削っていくと、環状の導電性ガラスシール層１６の幅は次第に狭くなり、やがて環状の何処かが途切れる状態となる。このように一箇所でも導電性ガラスシール層１６が欠損したところの直前が、昇り量αおよびシール材長βの他端となる。後述する実施例の各寸法α，β，γは、こうした手法により測定したものである。また、抵抗体１５および導電性ガラスシール層１６の外径Ｒは、絶縁体２の貫通孔６内径を調整することにより、所望の寸法としている。以下の説明では、抵抗体１５と導電性ガラスシール層１６との外径Ｒを、シール径と呼ぶ。

Ｂ．実施例：
上述した実施形態に基づき、シール径Ｒが３．０ｍｍと３．９ｍｍのもので、計１５種類のスパークプラグ１００（サンプル１〜１５）を製造した。サンプル１〜１５は、上記寸法α，β，γを異ならせて製作した。これらのサンプルは、加熱圧縮工程における加熱温度を変更することで、α／βの値を調整した。なお、α／βの値は、加熱圧縮工程において加える圧力を変更することで調整してもよい。

製造された各スパークプラグ１００について、気密性を評価した。気密性の評価は、次のように行なった。サンプル１〜１５のスパークプラグ１００を内燃機関の燃焼室に相当するテスト装置の加圧室に、ねじ部５を利用して取り付け、常温で加圧室内に所定圧力の圧搾空気を１分間加え、スパークプラグ１００の後端側からの漏洩量を測定した。圧搾空気の圧力を変化させ、スパークプラグ１００の後端（貫通孔６の後端）からの漏洩量が、毎分１．５ｍｌ（ミリリットル）以下となる圧搾空気の圧力がどの範囲にあるかにより気密性を評価し、これを図５に、記号ＡないしＦとして表した。圧搾空気の圧力を１０Ｍｐａまで高めても漏洩量が１．５ｍｌ／分以下であれば評価Ａとし、以下順に、漏洩量が１．５ｍｌ／分以下となった圧搾空気の圧力が、
７．５Ｍｐａであれば、評価Ｂ
５．０Ｍｐａであれば、評価Ｃ
３．０Ｍｐａであれば、評価Ｄ
２．５Ｍｐａであれば、評価Ｅ
２．０Ｍｐａであれば、評価Ｆ
とした。

サンプル１〜１５の気密性の評価結果によれば、シール径Ｒが３．９ｍｍ以下であっても、導電性ガラスシール層１６と抵抗体１５との接合面が、中心電極３側に凸形状であり、かつα／β≧４．０であれば、気密性評価はＥ以上であった。以下、α／βを「シール材長比」と呼ぶ。シール材長比α／β≧４．０の条件に加えて、更に抵抗体間距離γが３．０ｍｍ以上であれば、気密性評価はＣ以上であった。これに加えて、シール材長βが１１ｍｍ以上であれば、気密性評価はＢ以上であった。シール径Ｒや、シール材長比α／βが同じ値のサンプルを検討すると、例えばサンプル７、９、１１（シール径Ｒ＝３．０、シール材長比α／β＝４．０）やサンプル８、１０、１２（同Ｒ＝３．９、同α／β＝４．０）を比較すると、抵抗体間距離γが大きいほど、気密性評価が高くなる傾向にあることが分かる。また、各サンプルを比較すると、シール材長βが多くなるほど、気密性評価が高まる傾向にあり、特にシール材長β≧１１ｍｍのサンプルの気密性評価は、いずれもＢ以上であった。これら３つの条件（α／β≧４．０、γ≧３．０ｍｍ、β≧１１ｍｍ）が満たされれば、シール径Ｒが３．０ｍｍでも、気密性評価はＢ以上であった。

Ｃ．変形例：
導電性ガラスシール層１６は、ガラス粉末及び金属粉末を含む混合物を溶融して形成すればよく、上記実施形態では、銅粉末とホウケイ酸カルシウムガラス粉末とを混合して用いたが、他の金属材料やガラス粉末を用いてもよい。また、導電性物質として、金属粉末に代えて、カーボンブラックやグラファイトの粉末を用いても良い。

また、上記実施形態では、抵抗体１５の機材として、セラミック粉末としては、ＺｒＯ_２及びＴｉＯ_２を含むセラミック粉末を、導電材としては、カーボンブラックを、バインダ（有機バインダ）としては、ポリカルボン酸等の分散剤を、それぞれ採用したが、他の材料を用いてもよい。例えば、導電材としては、Ａｌ，Ｚｎ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｓｎ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｇ，Ｇａのうち、いずれか１種類以上の金属を含む金属粉末を用いることができる。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１…主体金具
２…絶縁体
３…中心電極
４…接地電極
５…ねじ部
６…貫通孔
１３…端子金具
１５…抵抗体
１６…導電性ガラスシール層
１７…端子金具側導電性ガラスシール層
３１…発火部
３２…先端部
１００…スパークプラグ
Ｏ…軸線

Claims

筒状の主体金具と、
前記主体金具の内部に保持され、前記主体金具の軸線方向に沿った貫通孔が内部に形成された絶縁体と、
前記絶縁体の前記貫通孔の一端部に挿入固定された中心電極と、
前記絶縁体の前記貫通孔の他端部に挿入固定された端子金具と、
前記貫通孔内において、前記中心電極と前記端子金具との間に、前記中心電極とは前記軸線方向に離間して配置された抵抗体と、
前記貫通孔内において前記抵抗体と前記中心電極との間に設けられ、前記抵抗体と前記中心電極とを電気的に接続する導電性ガラスシール層と
を備えるスパークプラグであって、
前記導電性ガラスシール層の直径は３．９ｍｍ以下であり、
前記導電性ガラスシール層と前記抵抗体との接合面は、前記中心電極側に凸形状であり、
前記軸線方向における前記接合面の後端から先端までの長さをαとし、
前記導電性ガラスシール層の前記軸線方向における最大長さをβとしたとき、
α／β≧０．４の関係を満たし、
前記接合面から、前記中心電極までの前記軸線方向における最短距離γが、３ｍｍ以上である
スパークプラグ。
前記最大長さβは、１１ｍｍ以上である請求項１記載のスパークプラグ。
前記導電性ガラスシール層の前記直径は、３．０ｍｍ以下である請求項１または請求項２記載のスパークプラグ。
前記主体金具の外周にねじ部が形成され、該ねじ部の径は、Ｍ１２以下である請求項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。