JP6314618B2 - スパークプラグおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、中心電極または接地電極の電極母材に貴金属チップを溶接したスパークプラグとその製造方法に関する。

〔従来技術〕
ガソリンエンジンなどの火花点火エンジンには、燃焼室における混合気の着火にスパークプラグを用いる。
スパークプラグは、中心電極と接地電極との間に火花放電ギャップが形成されるものであり、中心電極に高電圧が印加されることで中心電極と接地電極との間で火花放電がなされる。

スパークプラグの電極摩耗を抑える目的で、中心電極または接地電極の電極母材に貴金属チップを溶接し、貴金属チップにおいて火花放電を生じさせる技術が知られている。
電極母材に貴金属チップを溶接することで、電極母材と貴金属チップとの間には、溶融部が形成される。

〔従来技術の問題点〕
中心電極と接地電極の間で火花放電を生じさせた場合、貴金属チップで生じていた火花放電が溶融部に「飛び火」する可能性がある。
具体的には、エンジンの気筒内に生じる強い気流（スワール流やタンブル流等）によって火花放電が流され、火花放電長が伸張して貴金属チップで生じていた火花放電が溶融部に「飛び火」する場合がある。
火花放電が溶融部に飛び火する割合（飛び火率）が増えると、溶融部の摩耗が増加し、貴金属チップの接合強度が低下する懸念がある。

なお、エンジンの気筒内に生じる気流によって火花放電が溶融部に「飛び火」する不具合を防ぐ技術として、特許文献１に開示される技術が知られている。
この特許文献１の技術は、
・「一方の電極の端縁」から「他方の電極の端縁」を結ぶ傾斜角をＡとし、
・「一方の電極の端縁」から「他方の電極の溶融部の最外部」を結ぶ傾斜角をＢとした場合、
Ｂ−Ａ＜５°
の関係を満足するように設けるものである。

しかし、特許文献１に開示される技術で設けたスパークプラグを、過給エンジンなど気筒内に高速流が生じるエンジンに取り付けて観察すると、強い気流により火花放電が吹き流されてしまい、火花放電が溶融部に飛び火してしまう。
即ち、特許文献１に示すように、寸法の最適設計のみでは、気流によって流される火花放電を制御することができず、火花放電が溶融部に飛び火して溶融部の摩耗が増加してしまう。

特開２００９−１６３９２３号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、エンジンの気筒内に高速流が生じても、火花放電が溶融部に飛び火するのを防ぐことのできるスパークプラグとその製造方法の提供にある。

「請求項１〜４のスパークプラグ」は、絶縁体（α）の抵抗率が１０ ⁶ オームｃｍ以上である。

「請求項８のスパークプラグ」は、電極母材（３）と貴金属チップ（５）の間に溶接による溶融部（６）が存在し、貴金属チップ（５）の表面と溶融部（６）の表面との境界部に絶縁性の絶縁体（α）が設けられ、絶縁体（α）が前記溶融部（６）から析出して設けられるものであり、絶縁体粉末を添加した電極母材（３）を用いて溶接を行う第１製造方法、絶縁体粉末を添加した貴金属チップ（５）を用いて溶接を行う第２製造方法、電極母材（３）に近い側の外周面に、絶縁体粉末を添加した貴金属をクラッドした貴金属チップ（５）を用いて溶接を行う第３製造方法のいずれかを採用して製造される。

スパークプラグの要部断面図である。 絶縁体の境界幅を変化させた場合における「気筒内の流速と飛び火率との関係」を示すである。 スパークプラグの要部断面図である。 スパークプラグの要部断面図である。 スパークプラグの要部断面図である。

以下において［発明を実施するための形態］を詳細に説明する。

本発明の具体的な一例（実施例）を図面に基づき説明する。なお、以下の「実施例」は具体的な一例を示すものであり、本発明が「実施例」に限定されないことはいうまでもない。

［実施例１］
図１、図２を参照して実施例１を説明する。
この実施例１のスパークプラグは、車両走行用の火花点火エンジン（ガソリンエンジン等）に搭載されるものであり、このエンジンは気筒内に高速流が生じる可能性がある。
具体的な一例として、この実施例１のエンジンは、ターボチャージャ等の過給機付きエンジンであり、高回転時等において気筒内に高速流が生じる場合がある。あるいは、気筒内にタンブル流やスワール流などの旋回流を強制的に生じさせる旋回流コントロール手段（タンブル流コントロールバルブ等）を搭載するエンジンであり、旋回流コントロール手段の作動により気筒内に高速流が生じる場合がある。

スパークプラグは、エンジンのシリンダヘッド等に締結されて、気筒内にて火花放電を発生させるものであり、
・中心部に貫通した軸孔を有する絶縁碍子と、
・軸孔の内部に固定配置され、軸孔の先端側（燃焼室側）から一部が露出する中心電極１と、
・軸孔の内部に固定配置され、軸孔の後端側から一部が露出する端子金具と、
・絶縁碍子の外周に固定装着される主体金具（取付金具）と、
・この主体金具の先端に設けられて中心電極１との間に火花放電ギャップを形成する接地電極２（外側電極）とを備える。

なお、軸孔の内部で、且つ中心電極１と端子金具との間には、電波雑音を抑制する抵抗体が配置されており、「中心電極１と抵抗体の間」および「端子金具と抵抗体の間」は導電性のガラスシール層（例えば、銅ガラス等を焼成したシール層）によって封止されている。

絶縁碍子は、アルミナ等を焼成して形成した略筒体であり、軸中心に軸孔が形成されている。
中心電極１は、インコネル（商標名）、ニッケル、ニッケル合金から形成される電極母材３の内部に、電極母材３よりも熱電導率の高い銅または銅合金からなる芯材４を埋設したものであり、略棒状を呈する。

電極母材３の先端部（中心電極１の先端部と同じ）は、絶縁碍子の先端部より外部に突出して設けられる。
電極母材３の先端面には、耐火花消耗性を向上する目的で、貴金属チップ５が溶接により固定されている。
貴金属チップ５は、イリジウム、白金、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、レニウムなどの高溶点の貴金属を用いた略円柱体である。なお、電極母材３と貴金属チップ５の溶接箇所の詳細については後述する。

端子金具は、低炭素鋼材等よりなる棒状体であり、絶縁碍子の後端より外部に突出する部分に端子頭部が設けられる。この端子頭部は、点火装置における点火コイルの２次コイルの一端と電気的に接続される端子部である。

主体金具は、エンジンのシリンダヘッドにスパークプラグを固定するための低炭素鋼材等よりなる略円筒体であり、外周面にはプラグレンチに合致する六角ボルト部が設けられている。主体金具における六角ボルト部の先端側には、シリンダヘッドに形成された雌ネジに螺合する雄ネジが設けられている。なお、シリンダヘッドに対する主体金具の着座面にはガスケットが配置されるものであり、シリンダヘッドに主体金具を締結することで気筒内の気密が保たれる。
ここで、シリンダヘッドに主体金具を締結することで、主体金具がシリンダヘッドに対して電気的に接続される。エンジンはアース接地されて車載バッテリのマイナス端子と電気的に接続されている。このため、主体金具をシリンダヘッドに締結することで、主体金具を介して接地電極２がアース接地される。

接地電極２は、一端が主体金具の先端面に溶接され、他端が中心電極１の先端部（具体的には、貴金属チップ５の先端面）と対向する。そして、端子金具を介して中心電極１に高電圧が印加されると、中心電極１の先端に設けた貴金属チップ５と接地電極２との間で火花放電が開始される。
なお、接地電極２は、中心電極１と同様、貴金属チップが溶接されるものであるが、この実施例１では接地電極２側の貴金属チップおよび溶接技術の説明は割愛する。

（実施例１の特徴技術１）
スパークプラグは、上述したように、中心電極１の電極母材３と、貴金属チップ５とが溶接により結合されるものであり、電極母材３と貴金属チップ５の間には溶接による溶融部６が形成される。
そして、この実施例１では、貴金属チップ５の表面と、溶融部６の表面との境界部に、絶縁材料による絶縁体αを設けている。貴金属チップ５の表面と溶融部６の表面との境界部に絶縁体αを設ける技術は限定するものではないが、一例としてこの実施例の絶縁体αは、溶融部６から析出して設けられる。即ち、溶融部６の貴金属チップ５側の端に絶縁体αを析出させて、貴金属チップ５と溶融部６との間に絶縁体αを設け、貴金属チップ５と溶融部６が表面上にて直接地続きにならないようにしている。

以下において実施例１を具体的に説明する。
この実施例１の絶縁体αは、溶融部６からアルミナを析出させ、アルミナ（絶縁材料の一例）によって絶縁体αを設けるものである。この絶縁体αの抵抗率は、１０⁶ オームｃｍ以上である。
この実施例１の溶接技術は、レーザ溶接を用いるものであり、中心電極１の電極母材３と貴金属チップ５がレーザ溶接により溶接されるものである。レーザ溶接による溶接箇所は、電極母材３と貴金属チップ５の接触箇所の周囲であり、接触箇所の全周がレーザ溶接により溶接される。なお、レーザ溶接は周知なものであり、ＣＷレーザ（連続波発振レーザ）やＰＷレーザ（パルス波発振レーザ）を用いたものである。

この実施例１では、貴金属チップ５と溶融部６の間に絶縁体αを析出させる技術として、
（ｉ）粉末状のアルミナを添加した電極母材３を用いて溶接を行う第１製造方法と、
（ｉｉ）粉末状のアルミナを添加した貴金属チップ５を用いて溶接を行う第２製造方法と、
（ｉｉｉ）電極母材３に近い側の外周面（レーザ溶接される箇所）に粉末状のアルミナを添加した貴金属をクラッドした貴金属チップ５を用いて溶接を行う第３製造方法と、
のいずれかを採用する。

あるいは、予め酸化物の状態で添加するのではなく、金属の状態として添加し、レーザー溶接により酸化物に変化する手法を採用しても良い。即ち、レーザー溶接により金属を酸化物に変化させて絶縁体αを析出させても良い。

この第１〜第３製造方法のいずれかを採用してレーザ溶接を実施すると、レーザ溶接によって溶けた溶融部６の端に粉末状のアルミナが略帯状に集まって析出する。
このため、溶接後に溶融部６が冷えて固化することで、図１に示すように、貴金属チップ５と溶融部６の間に、アルミナによる絶縁体αを略帯状に全周に亘って設けることができる。

（実施例１の効果）
この実施例１のスパークプラグは、上述したように、貴金属チップ５の表面と溶融部６の表面との間に絶縁体αを介在させている。
このように、貴金属チップ５の表面と溶融部６の表面との間に絶縁体αを設けることで、貴金属チップ５から溶融部６へ火花放電が飛び火し難くなる。このため、エンジンの気筒内に生じた高速流によって火花放電が流されても、火花放電が溶融部６に飛び火するのを絶縁体αによって阻止することができる。
この実施例１のスパークプラグは、気筒内に高速気流が生じても飛び火による溶融部６の摩耗が抑えられるため、長期に亘って貴金属チップ５の脱落を防止することができ、スパークプラグの信頼性を高めることができる。

（実施例１の特徴技術２）
この実施例１では、絶縁体αの境界幅Ｌを好ましくは０．１ｍｍ以上、さらに好ましくは０．１５ｍｍ以上に設けている。
その理由を図２を参照して説明する。

図２は、スパークプラグの火花放電発生部位を０．５ＭＰａに加圧した状態で、火花放電発生部位の気流を変化させて「飛び火率（図中、放電移行確率）」を測定したものであり、
・図２の実線Ａは、溶融部６に絶縁体αの析出が無い場合の飛び火率を示し、
・図２の実線Ｂは、絶縁体αの境界幅Ｌが０．０５ｍｍの場合の飛び火率を示し、
・図２の実線Ｃは、絶縁体αの境界幅Ｌが０．１ｍｍの場合の飛び火率を示し、
・図２の実線Ｄは、絶縁体αの境界幅Ｌが０．１５ｍｍの場合の飛び火率を示す。
なお、この境界幅Ｌは、全周の中から安定した幅の部分を選び、気流の流れ方向がその部分で飛び火するように一定に制御して飛び火率を求めた値を、その境界幅Ｌでの飛び火率とした。

実線Ａと実線Ｃを比較して解るように、溶融部６に絶縁体αを析出させない実線Ａ（本発明を適用しない場合）に比較して、貴金属チップ５と溶融部６との間に０．１ｍｍ幅の絶縁体αを析出させることで、気筒内に高速気流が生じた場合であっても飛び火率を極めて低く抑えることができる。
また、実線Ｄから解るように、貴金属チップ５と溶融部６との間に０．１５ｍｍ幅の絶縁体αを析出させることで、気筒内に高速気流が生じた場合（例えば、流速が４０ｍ／ｓを超えた場合）であっても飛び火率を略ゼロに抑えることができる。

このため、絶縁体αの境界幅Ｌを０．１ｍｍ以上に設けることで、高速気流に対する溶融部６の摩耗を効果的に抑えてスパークプラグの信頼性を高めることができる。
さらに、絶縁体αの境界幅Ｌを０．１５ｍｍ以上に設けることで、高速気流に対する溶融部６の耐摩耗性をさらに向上することができる。
なお、絶縁体αの境界幅Ｌは、上述した第１〜第３製造方法のいずれかにおける絶縁粉末の添加割合の増減等によって調整するものである。

上記の実施例では、中心電極１のみに本発明を適用したが、接地電極２のみに本発明を適用しても良い。即ち、接地電極２の貴金属チップとその溶融部との間に絶縁体を析出させても良い。
もちろん、中心電極１と接地電極２の両方に本発明を適用しても良い。

上記の実施例では、絶縁体αの一例としてアルミナを用いる例を示したが、析出させる素材はアルミナに限定するものではなく、例えば他の絶縁性の酸化化合物等を用いても良い。即ち、絶縁体αまたは絶縁層βは、材料を限定するものではなく、例えばＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３のいずれかで設けても良い。

金属チップ５の材料は限定するものではなく、例えばＩｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅのいずれかを主成分とするものであれば良い。

上記の実施例１では、貴金属チップ５の表面と溶融部６の表面との境界部に絶縁体αを設ける技術として析出させる例を示したが、本発明は析出技術に限定するものではなく、図３に示すように、リング状の絶縁体αを後付けしたり、あるいは射出コーティング技術を採用するなど、他の手段を用いて絶縁体αを環状に設けても良い。

上記の実施例１では、貴金属チップ５の表面と溶融部６の表面との境界部に絶縁体αを設ける例を示したが、図４に示すように、溶融部６の表面を絶縁材料よりなる絶縁層βで覆っても良い。
あるいは、図５に示すように、貴金属チップ５の溶融部６に近い側の外周面にリング状の絶縁体αを設け、この絶縁体αと溶融部６の間に貴金属チップ５が露出する範囲Ｍを設けても良い。

１ 中心電極
３ 電極母材
５ 貴金属チップ
６ 溶融部
α 絶縁体
Ｌ 絶縁体の境界幅

Claims (8)

1. 中心電極（１）または接地電極（２）の電極母材（３）と、この電極母材（３）に溶接により結合された貴金属チップ（５）とを備え、
   前記電極母材（３）と前記貴金属チップ（５）の間に溶接による溶融部（６）が存在するスパークプラグにおいて、
   前記貴金属チップ（５）の表面と前記溶融部（６）の表面との境界部に、絶縁性の絶縁体（α）が設けられており、
   前記絶縁体（α）の抵抗率は、１０ ⁶ オームｃｍ以上であることを特徴とするスパークプラグ。
2. 中心電極（１）または接地電極（２）の電極母材（３）と、この電極母材（３）に溶接により結合された貴金属チップ（５）とを備え、
   前記電極母材（３）と前記貴金属チップ（５）の間に溶接による溶融部（６）が存在するスパークプラグにおいて、
   前記貴金属チップ（５）の表面と前記溶融部（６）の表面との境界部に、絶縁性の絶縁体（α）が設けられており、
   前記絶縁体（α）は、前記溶融部（６）から析出して設けられており、
   前記絶縁体（α）の抵抗率は、１０ ⁶ オームｃｍ以上であることを特徴とするスパークプラグ。
3. 中心電極（１）または接地電極（２）の電極母材（３）と、この電極母材（３）に溶接により結合された貴金属チップ（５）とを備え、
   前記電極母材（３）と前記貴金属チップ（５）の間に溶接による溶融部（６）が存在するスパークプラグにおいて、
   前記貴金属チップ（５）の表面と前記溶融部（６）の表面との境界部に、絶縁性の絶縁体（α）が設けられており、
   前記絶縁体（α）の境界幅（Ｌ）は、０．１ｍｍ以上に設けられており、
   前記絶縁体（α）の抵抗率は、１０ ⁶ オームｃｍ以上であることを特徴とするスパークプラグ。
4. 中心電極（１）または接地電極（２）の電極母材（３）と、この電極母材（３）に溶接により結合された貴金属チップ（５）とを備え、
   前記電極母材（３）と前記貴金属チップ（５）の間に溶接による溶融部（６）が存在するスパークプラグにおいて、
   前記溶融部（６）の表面は、絶縁性の絶縁層（β）によって覆われており、
   前記絶縁体（α）の抵抗率は、１０ ⁶ オームｃｍ以上であることを特徴とするスパークプラグ。
5. 請求項１または請求項２に記載のスパークプラグにおいて、
   前記絶縁体（α）の境界幅（Ｌ）は、０．１ｍｍ以上に設けられていることを特徴とするスパークプラグ。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のスパークプラグにおいて、
   前記金属チップ（５）は、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅのいずれかを主成分としていることを特徴とするスパークプラグ。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載のスパークプラグにおいて、
   前記絶縁体（α）または前記絶縁層（β）は、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３のいずれかを主成分としていることを特徴とするスパークプラグ。
8. 中心電極（１）または接地電極（２）の電極母材（３）と、この電極母材（３）に溶接により結合された貴金属チップ（５）とを備え、
   前記電極母材（３）と前記貴金属チップ（５）の間に溶接による溶融部（６）が存在し、
   前記貴金属チップ（５）の表面と前記溶融部（６）の表面との境界部に、絶縁性の絶縁体（α）が設けられ、
   前記絶縁体（α）が前記溶融部（６）から析出して設けられるスパークプラグは、
   絶縁体粉末を添加した電極母材（３）を用いて溶接を行う第１製造方法、
   絶縁体粉末を添加した貴金属チップ（５）を用いて溶接を行う第２製造方法、
   電極母材（３）に近い側の外周面に、絶縁体粉末を添加した貴金属をクラッドした貴金属チップ（５）を用いて溶接を行う第３製造方法、
   のいずれかを採用して製造されることを特徴とするスパークプラグの製造方法。

Images