JP6273187B2

JP6273187B2 - スパークプラグ

Info

Publication number: JP6273187B2
Application number: JP2014207056A
Authority: JP
Inventors: 坂倉　靖; 靖坂倉
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2014-10-08
Filing date: 2014-10-08
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2034-10-08
Also published as: JP2016076421A

Description

本発明は、スパークプラグに関する。

内燃機関に使用されるスパークプラグは、一般に、筒状の主体金具と、この主体金具の内孔に配置された筒状の絶縁体と、この絶縁体の軸孔の先端側に配置された中心電極と、軸孔の後端側に配置された端子金具と、主体金具の先端側に一端が接合され、他端が中心電極と対向して火花放電ギャップを形成する接地電極とを備える。

スパークプラグの一種として、絶縁体に対する中心電極の固定状態をより確実にするために、中心電極の後端部分の周囲に滑石（タルク）等の充填粉末を充填したタイプのスパークプラグが存在する（特許文献１，２）。

特開２０１１−１１３８３６号公報特開昭５７−１０１３６５号公報

しかし、本願の発明者は、エンジンの加熱や振動によって充填粉末の固着力が低下してしまうと、スパークプラグの健全性が損なわれる可能性があることを見出した。すなわち、充填粉末の固着力が低下した状態で燃焼ガスの圧力によって中心電極の先端が加圧されると、中心電極のプッシュバック（中心電極が後端側に押されて絶縁体の軸孔内の正規の位置からずれること）が発生する可能性がある。中心電極のプッシュバックが発生すると、スパークプラグの健全性が損なわれる（具体的には火花放電ギャップが増大して発火不良が発生する）という問題がある。

なお、近年では、スパークプラグ１００の小型化に伴って各部材の肉厚が薄くなってきているため、各部材の形状に種々の工夫を加えた場合に、スパークプラグの健全性を損い易いという問題がある。

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、軸線の方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、前記軸孔の先端から突出する中心電極と、前記軸孔の後端から突出する端子金具と、前記絶縁体を収容する主体金具とを備え、前記中心電極が、前記絶縁体の前記軸孔の先端から突出する部分を含む先端側電極部と、前記先端側電極部の後端側に設けられ前記先端側電極部よりも外径が大きい鍔部と、前記鍔部の後端側に設けられ前記鍔部よりも外径が小さい後端側電極部とを有し、前記後端側電極部と前記絶縁体の内周面との間に第１の充填粉末が充填されたスパークプラグが提供される。このスパークプラグは、前記絶縁体の前記内周面のうちで、充填された前記第１の充填粉末と接する部位の少なくとも一部に凹凸部が形成されていることを特徴とする。
このスパークプラグによれば、絶縁体の内周面の凹凸部によって、絶縁体と第１の充填粉末の間の固着力が増大するので、中心電極の耐プッシュバック性を高めることができ、スパークプラグの健全性を向上させることが可能である。

（２）上記スパークプラグにおいて、前記絶縁体の先端における前記軸孔の径をφｄとし、前記凹凸部のうち、前記第１の充填粉末と接する部位の前記軸線方向における長さをＬ１としたとき、Ｌ１／φｄ^２≧０．３ｍｍ^−１を満たすものとしてもよい。
このスパークプラグによれば、中心電極の耐プッシュバック性を更に高めてスパークプラグの健全性を更に向上させることが可能である。

（３）上記スパークプラグにおいて、前記絶縁体の前記内周面は、後端側に向かうにつれて内径が拡径するとともに自身の少なくとも一部に前記中心電極の前記鍔部が当接する段部を有し、前記軸線方向において、前記絶縁体の後端から前記段部までの長さをＬ０とし、前記凹凸部の長さをＬ３としたとき、Ｌ３／Ｌ０≦０．６を満たすものとしてもよい。
このスパークプラグによれば、凹凸部の長さＬ３が過度に大きくならないので、絶縁体の内周面における凹凸部が過度に長くなって絶縁体の製造時において絶縁体後端部が曲がってしまうことを防止でき、スパークプラグの健全性が損なわれることを防止できる。

（４）上記スパークプラグにおいて、前記凹凸部は、前記端子金具の雄ネジ部と螺合するために前記軸孔の後端に設けられた雌ネジ部に連続するネジ溝で形成されているものとしてもよい。
このスパークプラグによれば、粉末充填部と勘合する凹凸部を容易に設けることが可能である。

（５）上記スパークプラグにおいて、前記先端側電極部と前記絶縁体の先端側内周面との間に第２の充填粉末が充填されており、前記先端側電極部の外周面に、第２の凹凸部が設けられているものとしてもよい。
このスパークプラグによれば、中心電極の先端側電極部の外周面に設けられた第２の凹凸部によって、中心電極と第２の充填粉末との間の固着力が増大するので、中心電極の耐プッシュバック性を更に高めることができ、スパークプラグの健全性を向上させることが可能である。

（６）上記スパークプラグにおいて、前記第２の凹凸部の前記軸線方向の長さが１０ｍｍ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、中心電極と第２の充填粉末との間の固着力が更に増大するので、中心電極の耐プッシュバック性を更に高めることができ、スパークプラグの健全性を向上させることが可能である。

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。絶縁体と中心電極と端子金具の断面図。パラメータＬ１／φｄ^２によるプッシュバック強度への影響を示す説明図。中心電極の凹凸加工部の長さＡによるプッシュバック強度への影響を示す説明図。パラメータＬ３／Ｌ０による絶縁体の曲がりへの影響を示す説明図。

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。中心電極２０の先端と接地電極３０との間には火花放電ギャップが形成される。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、絶縁体１０と中心電極２０と端子金具４０の断面を示している。絶縁体１０の軸孔１１は、先端側にある小径部１１ｒ１と、後端側にある大径部１１ｒ２と、それらの間にある段部１１ｓｔｐとを有している。段部１１ｓｔｐは、後端側に向かうにつれて内径が拡径する部分である。

大径部１１ｒ２は、段部１１ｓｔｐを起点として絶縁体１０の後端まで延びる部分であり、その長さはＬ０である。この長さＬ０は、軸線方向において、絶縁体１０の後端から段部１１ｓｔｐまでの長さに相当する。この大径部１１ｒ２のうち、絶縁体１０の後端から長さＬ３に亘って凹凸部１１ｕｅが形成されている。図２の左側に拡大して示すように、凹凸部１１ｕｅの凹凸高さはｔである。凹凸部１１ｕｅは、端子金具４０の雄ネジ部と螺合するために軸孔１１の後端に設けられた雌ネジ部に連続するネジ溝として形成されている。すなわち、凹凸部１１ｕｅの後端部分には、端子金具４０が螺合している。なお、軸孔１１内の凹凸部１１ｕｅの長さＬ３は、凹凸部１１ｕｅが無い部分の大径部１１ｒ２の内面に一致する仮想的な円筒面を考え、その円筒面から突出又は陥凹している部分の上端と下端の範囲の長さとして測定される。

中心電極２０は、絶縁体１０の軸孔１の先端から突出する部分を含む先端側電極部２２と、先端側電極部２２の後端側に設けられ先端側電極部２２よりも外径が大きい鍔部２４と、鍔部２４の後端側に設けられ鍔部２４よりも外径が小さい後端側電極部２６とを有する。鍔部２４は、絶縁体１０の軸孔１１の段部１１ｓｔｐの後端側に配置されており、段部１１ｓｔｐの少なくとも一部に当接している。後端側電極部２６の後端は、端子金具４０の先端部に形成された有底穴に挿入されている。先端側電極部２２の先端２２ｅは、絶縁体１０の先端部１０ｅから突出している。この絶縁体１０の先端部１０ｅの軸孔１１は、直径φｄを有する。なお、図２の例では、先端側電極部２２の外周の表面には、ローレット加工やホーニング加工などの凹凸加工によって加工された凹凸加工部２２ａが、長さＡに亘って形成されている。但し、凹凸加工部２２ａは省略可能である。なお、凹凸加工部２２ａを「第２の凹凸部」とも呼ぶ。

絶縁体１０の軸孔１１の大径部１１ｒ２には、第１の充填粉末６２が充填された粉末充填部６０が長さＬ２に亘って形成されている。この第１の充填粉末６２は、中心電極２０の後端側電極部２６と絶縁体１０の内周面との間を充填することによって両者を固定するための粉末であり、例えば滑石（タルク）等で形成されている。粉末充填部６０と軸孔内面の凹凸部１１ｕｅとが重なり合う部分の長さ（「勘合長さ」と呼ぶ）はＬ１である。すなあち、勘合長さＬ１は、凹凸部１１ｕｅのうち、第１の充填粉末６２と接する部位の軸線方向における長さである。

絶縁体１０の軸孔１１の小径部１１ｒ１には、第２の充填粉末７２が充填されている。この第２の充填粉末７２は、中心電極２０の先端側電極部２２と絶縁体１０の先端側内周面との間を充填することによって両者を固定するための粉末である。この第２の充填粉末７２としては、例えば、セラミック粉と水ガラスの混合物やセメントなどの各種の無機系接着剤の粉末を利用可能である。

図２における各種の寸法及びそれらの典型的な値の例は以下の通りである。
（ａ）Ｌ０：絶縁体１０の軸孔１１の大径部１１ｒ２の長さ（１５〜６０ｍｍ）
（ｂ）Ｌ１：粉末充填部６０と凹凸部１１ｕｅの勘合長さ（０〜１０ｍｍ）
（ｃ）Ｌ２：粉末充填部６０の長さ（１０〜３０ｍｍ）
（ｄ）Ｌ３：絶縁体１０の軸孔内面の凹凸部１１ｕｅの長さ（５〜３０ｍｍ）
（ｅ）Ａ：中心電極２０の先端側電極部２２の外面における凹凸加工部２２ａの長さ（０〜３０ｍｍ）
（ｆ）φｄ：絶縁体１０の先端部１０ｅにおける軸孔１１の直径（１〜４ｍｍ）
（ｇ）ｔ：凹凸部１１ｕｅの凹凸高さ（０．１〜１．０ｍｍ）

なお、粉末充填部６０と勘合する凹凸部１１ｕｅは、軸孔１１の後端に設けられた雌ネジ部に連続する必要は無く、軸孔１１の後端に設けられた雌ネジ部から離間していてもよい。但し、凹凸部１１ｕｅを、軸孔１１の後端に設けられた雌ネジ部に連続するネジ溝として形成すれば、凹凸部１１ｕｅを容易に形成できる点で好ましい。

図３は、図２の形状を有する複数のサンプルに関してパラメータＬ１／φｄ^２によるプッシュバック強度への影響を示す説明図である。最初の６つのサンプルＳ１０〜Ｓ１５は、凹凸部１１ｕｅの長さＬ３を変えることによって、粉末充填部６０と凹凸部１１ｕｅの勘合長さＬ１を変えたものであり、他の寸法はサンプルＳ１０〜Ｓ１５ですべて同じである。次のサンプルＳ２０〜Ｓ２５も、凹凸部１１ｕｅの長さＬ３を変えることによって、粉末充填部６０と凹凸部１１ｕｅの勘合長さＬ１を変えたものであり、他の寸法はサンプルＳ２０〜Ｓ２５ですべて同じである。但し、サンプルＳ１０〜Ｓ１５は絶縁体１０の先端部１０ｅにおける軸孔１１の直径（先端穴径）φｄが３．０ｍｍであるのに対して、サンプルＳ２０〜Ｓ２５は先端穴径φｄが２．０ｍｍである点で両者は異なる。

図３の右端から２番目の欄には、各サンプルのパラメータＬ１／φｄ^２の値が記載されており、右端の欄にはプッシュバック強度試験の判定結果が記載されている。プッシュバック強度の判定結果は、図２に示した形状のサンプルの中心電極２０の先端２２ｅの端面を、圧縮試験機を用いて軸線Ｏの方向に押し込んだときの最大荷重に基づいて得られたものである。なお、プッシュバック強度を、「耐プッシュバック性」とも呼ぶ。図３の結果によれば、パラメータＬ１／φｄ^２の値が増大するほどプッシュバック強度が高くなる点で好ましいことが理解できる。

パラメータＬ１／φｄ^２がプッシュバック強度に影響する理由は以下の通りである。すなわち、粉末充填部６０と凹凸部１１ｕｅの勘合長さＬ１が長いほど、第１の充填粉末６２と、軸孔１１内の凹凸部１１ｕｅとの間の固着力が強くなる。従って、勘合長さＬ１の増加に応じてプッシュバック強度も上昇する傾向にある。一方、絶縁体１０の先端穴径φｄの２乗φｄ^２は中心電極２０の断面積にほぼ比例するので、φｄ^２に比例して中心電極２０に係る荷重が大きくなる。従って、φｄ^２の増加に応じてプッシュバック強度は低下する傾向にある。これらの点を考慮すれば、プッシュバック強度は、パラメータＬ１／φｄ^２に応じて増大する傾向があると推定することが可能である。図３の結果も、この傾向を示している。

図３の結果によれば、パラメータＬ１／φｄ^２が０の場合（すなわち、粉末充填部６０と凹凸部１１ｕｅが勘合していない場合）に比べて、パラメータＬ１／φｄ^２が０を越える場合（粉末充填部６０と凹凸部１１ｕｅが勘合している場合）の方がプッシュバック強度が大きい点で好ましい。また、パラメータＬ１／φｄ^２の値は、０．３ｍｍ^−１以上とすることが好ましく、０．４ｍｍ^−１以上とすることが更に好ましく、０．５ｍｍ^−１以上とすることが最も好ましい。

図４は、中心電極２０の凹凸加工部２２ａの長さＡによるプッシュバック強度への影響を示す説明図である。これらの５つのサンプルＳ３１〜Ｓ３５は、凹凸加工部２２ａの長さＡのみを変えたものであり、他の寸法はサンプルＳ３１〜Ｓ３５ですべて同じである。また、サンプルＳ３１は、図３のサンプルＳ１２と同じである。図４の結果によれば、凹凸加工部２２ａの長さＡの値が増大するほどプッシュバック強度が高くなる点で好ましい。この理由は、凹凸加工部２２ａを有する先端側電極部２２の周囲には第２の充填粉末７２が充填されているので、凹凸加工部２２ａが長いほど、第２の充填粉末７２と凹凸加工部２２ａとの間の固着力が増加するためである。なお、凹凸加工部２２ａの長さＡは、０ｍｍでも良いが、５ｍｍ以上とすることが好ましく、１０ｍｍ以上とすることが更に好ましい。

なお、図３及び図４のサンプルでは、粉末充填部６０の長さＬ２を２０ｍｍとしたが、粉末充填部６０の長さＬ２が大きいほど、プッシュバック強度も増大すると考えられる。この点を考慮すれば、粉末充填部６０の長さＬ２を十分な長さ（例えば１５ｍｍ以上）に設定することが好ましい。

図５は、パラメータＬ３／Ｌ０による絶縁体１０の曲がりへの影響を示す説明図である。本実施形態における絶縁体１０は、材料粉末を公知の成形方法で成形した成形体を公知の焼成方法で焼成することにより得られる。ここで、絶縁体１０の曲がりとは、成形体の焼成時に成形体が曲がってしまうことで、その結果得られた絶縁体１０が曲がっていることを意味する。ここでは、絶縁体１０の軸孔１１の大径部１１ｒ２の長さＬ０と、絶縁体１０の軸孔内面の凹凸部１１ｕｅの長さＬ３と、パラメータＬ３／Ｌ０と、絶縁体１０の曲がりの判定結果とが記載されている。絶縁体１０の曲がり試験は、単体の絶縁体１０の先端側（図２の下側）を保持した状態で絶縁体１０を軸線０の回りに回転させ、絶縁体１０の後端の頭部が振れる振れ量を測定することによって行った。ここで、「頭部の振れ量」とは、絶縁体１０の頭部表面の規定位置から実際の位置までの最大距離である。また、「頭部の規定位置」は、軸線Ｏから頭部表面までの距離の設計値で与えられる位置である。

絶縁体１０の寸法としては、軸孔１１の大径部１１ｒ２の長さＬ０と、凹凸部１１ｕｅの長さＬ３の２つの寸法を変えて試験を行った。この理由は、上述した各種の寸法のうち、絶縁体１０の曲がりに影響するのは、これらの２つの寸法Ｌ０，Ｌ３のみであり、他の寸法はほとんど影響しないと考えられるからである。すなわち、寸法Ｌ０に対し，寸法Ｌ３が大きくなると、軸孔１１の大径部１１ｒ２を形成する絶縁体１０のうち肉厚が薄い部分の割合が大きくなるので、前述の絶縁体１０の焼成時にその後端部分が曲がり易い。図２に示した他の寸法は、絶縁体１０の後端部分の曲がりにはあまり影響が無い。なお、最初の５つのサンプルＳ４１〜Ｓ４５は、大径部１１ｒ２の長さＬ０を３０ｍｍとし、凹凸部１１ｕｅの長さＬ３を変化させたものである。次の５つのサンプルＳ５１〜Ｓ５５は、大径部１１ｒ２の長さＬ０を４０ｍｍとし、凹凸部１１ｕｅの長さＬ３を変化させたものである。

図５の結果によれば、パラメータＬ３／Ｌ０が小さいほど絶縁体１０の曲がりが小さくなる点で好ましいことが理解できる。また、パラメータＬ３／Ｌ０は、０．６以下とすることが好ましく、０．５以下とすることが更に好ましく、０．４以下とすることが最も好ましい。

なお、図５の結果は、粉末充填部６０と勘合する凹凸部１１ｕｅが、軸孔１１の後端に設けられた雌ネジ部に連続して設けられている場合の結果である。すなわち、このときの凹凸部１１ｕｅの長さＬ３は、端子金具４０と螺合するための雌ネジ部の長さと、粉末充填部６０と勘合するための凹凸部の長さとの和である。但し、上述したように、粉末充填部６０と勘合するための凹凸部を、端子金具４０と螺合するための雌ネジ部から離間して設けることも可能である。この場合にも、絶縁体１０の軸孔内面に設けられる凹凸部の合計長さＬ３（粉末充填部６０と勘合するための凹凸部の長さ＋端子金具４０と螺合するための雌ネジ部の長さ）が過度に長いと、絶縁体１０の後端部分の曲がりが過大になる可能性がある。従って、この場合にも、長さの比Ｌ３／Ｌ０の値は、０．６以下とすることが好ましく、０．５以下とすることが更に好ましく、０．４以下とすることが最も好ましい。但し、スパークプラグの種類によっては、絶縁体１０の曲がりがあまり問題とならない場合もある。この場合にには、長さの比Ｌ３／Ｌ０を０．６を越える値に設定しても良い。

・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、粉末充填部６０と勘合する凹凸部１１ｕｅは、軸孔１１の後端に設けられた雌ネジ部に連続するネジ溝として形成されているものとしたが、凹凸部１１ｕｅとしては、これ以外の種々の形状や配置を採用することが可能である。例えば、凹凸部１１ｕｅは、ネジ溝以外の他の凹凸形状（例えば複数の島状の凹部又は凸部や、軸線方向に並ぶ複数のリング状の凹部又は凸部）を有していても良い。但し、軸線Ｏに平行な筋状の溝は、充填粉末と絶縁体１０との固着力を強めるという観点からは、他の凹凸形状に劣る。従って、軸線Ｏに平行な筋状の溝のみで形成された凹凸形状以外の凹凸形状を採用することが望ましい。

１０…絶縁体
１０ｅ…絶縁体の先端部
１１…絶縁体の軸孔
１１ｓｔｐ…絶縁体の軸孔の段部
１１ｒ１…絶縁体の軸孔の小径部
１１ｒ２…絶縁体の軸孔の大径部
１１ｕｅ…絶縁体の軸孔内面の凹凸部（第１の凹凸部）
２０…中心電極
２２…中心電極の先端側電極部
２２ａ…中心電極の先端側電極部表面の凹凸加工部（第２の凹凸部）
２２ｅ…中心電極の先端
２４…中心電極の鍔部
２６…中心電極の後端側電極部
３０…接地電極
４０…端子金具
５０…主体金具
５２…主体金具の先端
５４…主体金具のねじ部
６０…粉末充填部
６２…第１の充填粉末
７２…第２の充填粉末
１００…スパークプラグ

Claims

軸線の方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、前記軸孔の先端から突出する中心電極と、前記軸孔の後端から突出する端子金具と、前記絶縁体を収容する主体金具とを備え、前記中心電極が、前記絶縁体の前記軸孔の先端から突出する部分を含む先端側電極部と、前記先端側電極部の後端側に設けられ前記先端側電極部よりも外径が大きい鍔部と、前記鍔部の後端側に設けられ前記鍔部よりも外径が小さい後端側電極部とを有し、前記後端側電極部と前記絶縁体の内周面との間に第１の充填粉末が充填されたスパークプラグにおいて、
前記絶縁体の前記内周面のうちで、充填された前記第１の充填粉末と接する部位の少なくとも一部に凹凸部が形成されていることを特徴とするスパークプラグ。
請求項１に記載のスパークプラグにおいて、
前記絶縁体の先端における前記軸孔の径をφｄとし、
前記凹凸部のうち、前記第１の充填粉末と接する部位の前記軸線方向における長さをＬ１としたとき、
Ｌ１／φｄ^２≧０．３ｍｍ^−１
を満たすことを特徴とするスパークプラグ。
請求項１又は２に記載のスパークプラグにおいて、
前記絶縁体の前記内周面は、後端側に向かうにつれて内径が拡径するとともに自身の少なくとも一部に前記中心電極の前記鍔部が当接する段部を有し、
前記軸線方向において、前記絶縁体の後端から前記段部までの長さをＬ０とし、前記凹凸部の長さをＬ３としたとき、
Ｌ３／Ｌ０≦０．６
を満たすことを特徴とするスパークプラグ。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のスパークプラグにおいて、
前記凹凸部は、前記端子金具の雄ネジ部と螺合するために前記軸孔の後端に設けられた雌ネジ部に連続するネジ溝で形成されていることを特徴とするスパークプラグ。
請求項１〜４のいずれか一項に記載のスパークプラグにおいて、
前記先端側電極部と前記絶縁体の先端側内周面との間に第２の充填粉末が充填されており、
前記先端側電極部の外周面に、第２の凹凸部が設けられていることを特徴とするスパークプラグ。
請求項５に記載のスパークプラグにおいて、
前記第２の凹凸部の前記軸線方向の長さが１０ｍｍ以上であることを特徴とするスパークプラグ。