JP6346657B1 - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁体の強度低下を抑制できるスパークプラグを提供すること。【解決手段】スパークプラグは、先端側から後端側へと軸線に沿って延びる筒状の絶縁体の外周面に形成された係合部の後端部と、絶縁体の外周面に配置される筒状の主体金具の被係合部と、が係合する。絶縁体は、アルミナ等のセラミックスで作られている。絶縁体は、外周面のうち係合部よりも先端側の少なくとも一部に、自身の周方向に螺旋状に延びる凹凸が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明はスパークプラグに関し、特に絶縁体の強度低下を抑制できるスパークプラグに関するものである。

スパークプラグは、アルミナ等のセラミックスで作られた絶縁体を、エンジンに取り付けられる主体金具が保持する（特許文献１）。エンジンに取り付けられたスパークプラグの絶縁体の表面に水分（結露など）や燃料（以下「水分等」と称す）が付着して、水分等がセラミックスの粒界のガラス相と反応すると、ガラス相が劣化して絶縁体の強度が低下するおそれがある。

特開２０１４−１０７０８４号公報

上記従来の技術において、水分等とガラス相との反応に起因する絶縁体の強度低下の抑制に対する要求がある。

本発明は上述した要求に応えるためになされたものであり、絶縁体の強度低下を抑制できるスパークプラグを提供することを目的としている。

この目的を達成するために本発明のスパークプラグは、先端側から後端側へと軸線に沿って延びる筒状の絶縁体の外周面に形成された係合部の後端部と、絶縁体の外周面に配置される筒状の主体金具の被係合部と、が係合する。絶縁体は、外周面のうち係合部よりも先端側の少なくとも一部に、自身の周方向に螺旋状に延びる凹凸が形成されている。

請求項１記載のスパークプラグによれば、絶縁体の外周面に螺旋状の凹凸が形成されているので、絶縁体に付着した水分等を凹凸に沿って薄く広げることができる。水分等がセラミックスの粒界のガラス相と反応する前に、絶縁体の外周面に薄く広がった水分等を蒸発させ易くできるので、ガラス相の劣化による絶縁体の強度低下を抑制できる。

凹凸は、絶縁体の軸線を含む断面に現れる外周面の実表面の断面曲線にフーリエ変換を施して得られる１〜３００Ｈｚにおける周波数ｎの振幅ｆ（ｎ）について、ｆ（ｎ＋１）−ｆ（ｎ）の絶対値の大きいものから順に第１ピーク、第２ピーク、第３ピーク、第４ピークとするときに（但し、±２Ｈｚ以内に存在する２つ以上のピークは１つのピークとする）、第１ピークは２０〜３００Ｈｚに存在し、且つ、第１ピーク、第２ピーク、第３ピーク及び第４ピークのうちの２つ以上のピークは３０〜３００Ｈｚに存在する。第１ピーク、第２ピーク、第３ピーク及び第４ピークのうち３つ以上のピークは１〜２０Ｈｚに存在しない。凹凸を周期的にできるので、絶縁体の外周面の輪郭のばらつきを小さくできる。

本発明の一実施の形態におけるスパークプラグの片側断面図である。 絶縁体の外周面の実表面の断面曲線である。 実表面の断面曲線にフーリエ変換を施して得られたスペクトルである。 実部のｆ（ｎ＋１）−ｆ（ｎ）の絶対値をとった結果である。 虚部のｆ（ｎ＋１）−ｆ（ｎ）の絶対値をとった結果である。 比較例における絶縁体の外周面の実表面の断面曲線である。 実表面の断面曲線にフーリエ変換を施して得られたスペクトルである。 実部のｆ（ｎ＋１）−ｆ（ｎ）の絶対値をとった結果である。 虚部のｆ（ｎ＋１）−ｆ（ｎ）の絶対値をとった結果である。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態におけるスパークプラグ１０の片側断面図である。図１では、紙面下側をスパークプラグ１０の先端側、紙面上側をスパークプラグ１０の後端側という。スパークプラグ１０は、絶縁体１１及び主体金具３０を備えている。

絶縁体１１は、機械的特性や高温下の絶縁性に優れるアルミナ等のセラミックスにより形成された筒状の部材である。絶縁体１１は、軸線Ｏに沿って貫通する軸孔１２が形成されている。絶縁体１１は、後端側から先端側へと軸線Ｏに沿って第１部１３、係合部１４、第２部１５及び第３部１６が連接されている。

第１部１３は、絶縁体１１の後端の円筒状の部分である。係合部１４は、第１部１３よりも大径の外周縁をもつ円環状の部分である。第２部１５は、第１部１３及び係合部１４よりも小径の円筒状の部分である。第３部１６は、第２部１５よりも小径の円筒状の部分である。絶縁体１１は、第２部１５と第３部１６との境界に、先端側へ向かうにつれて外周が縮径する縮径部１７が形成されている。第２部１５の先端および第３部１６の内側の部分の軸孔１２に中心電極２０が配置されている。

中心電極２０は、軸線Ｏに沿って延びる棒状の部材であり、銅または銅を主成分とする芯材がニッケル又はニッケル基合金で覆われている。中心電極２０は絶縁体１１に保持され、先端が軸孔１２から露出する。

端子金具２１は、高圧ケーブル（図示せず）が接続される棒状の部材であり、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成されている。端子金具２１は、先端側が軸孔１２に圧入された状態で、絶縁体１１の後端に固定されている。端子金具２１は、軸孔１２の内部で中心電極２０と電気的に接続されている。絶縁体１１は、端子金具２１と軸線Ｏ方向に間隔をあけて、外周の先端側に主体金具３０が固定されている。

主体金具３０は、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成される略円筒状の部材である。主体金具３０は、先端側の外周面にねじ部３１が形成されている。エンジン４１のねじ穴にねじ部３１が結合して主体金具３０がエンジン４１に取り付けられる。主体金具３０は、ねじ部３１の径方向の内側の内周に、径方向の内側へ向かって突出する棚部３２が形成されている。

主体金具３０は、ねじ部３１よりも後端側に、径方向の外側へ鍔状に張り出す円環状の座部３３が設けられている。座部３３とねじ部３１との間に、エンジン４１のねじ穴からの燃焼ガスの漏洩を防止するガスケット３６が配置される。主体金具３０は、座部３３よりも後端側にレンチ等の工具が係合する工具係合部３４が設けられている。工具係合部３４に係合した工具によって、エンジン４1のねじ穴にねじ部３１がねじ込まれる。

主体金具３０は、工具係合部３４の後端に被係合部３５が連接されている。被係合部３５は、主体金具３０の後端縁が内側に折り曲げられた部分である。絶縁体１１は、第１部１３の外周に軸線Ｏ方向に間隔をあけて２つのリング部材３７が配置されている。リング部材３７は主体金具３０の工具係合部３４の径方向の内側に配置され、リング部材３７、第１部１３及び工具係合部３４に囲まれた空間にタルク等の粉末３８が充填されている。被係合部３５は、リング部材３７及び粉末３８を介して絶縁体１１の係合部１４の後端部と係合する。

主体金具３０は、絶縁体１１の縮径部１７に棚部３２が係合した状態で、被係合部３５が内側に折り曲げられ、被係合部３５が絶縁体１１の係合部１４と係合する。被係合部３５の屈曲により、主体金具３０が絶縁体１１に加締め固定される。絶縁体１１は、軸線Ｏ方向の両側から被係合部３５及び棚部３２に係合部１４及び縮径部１７が挟まれて、主体金具３０に保持される。

接地電極４０は、主体金具３０の先端に接合される金属製（例えばニッケル基合金製）の部材である。本実施の形態では、接地電極４０は棒状に形成されており、先端側が屈曲し中心電極２０と対向する。接地電極４０は、中心電極２０との間に火花ギャップを形成する。

スパークプラグ１０は、例えば、以下のような方法によって製造される。絶縁体１１は、原料粉末から成形された成形体を焼成することにより作成される。まず、主成分であるアルミナと、ガラス相を形成して焼結助剤として機能するＳｉ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｂａ等の元素の化合物と、を配合して原料粉末を準備する。ポリビニルアルコール等の親水性結合剤と水等の溶媒とを原料粉末に加え、混合してスラリーを調製する。スラリーをスプレードライ法等により乾燥し、造粒物を調製する。得られた造粒物を加圧成形または射出成形することにより成形体を得る。成形体を焼成して絶縁体１１が得られる。得られた絶縁体１１に研削加工が施される。

研削加工では、絶縁体１１は第１部１３がチャック（図示せず）に固定される。軸線Ｏを中心にチャックを回転させながら、係合部１４、第２部１５、縮径部１７及び第３部１６の外周面をバイト又は砥石（いずれも図示せず）で研削する。削り代は１００〜５００μｍ程度である。軸線Ｏを中心に絶縁体１１を回転させながらバイト又は砥石を軸線Ｏ方向に移動させることにより、係合部１４、第２部１５、縮径部１７及び第３部１６の外周面に、周方向に螺旋状に延びる凹凸５０（図２参照）が形成される。

次いで、中心電極２０を絶縁体１１の軸孔１２に挿入する。中心電極２０は先端が軸孔１２から外部に露出するように配置される。軸孔１２に端子金具２１を挿入し、端子金具２１と中心電極２０との導通を確保した後、予め接地電極４０が接合された主体金具３０を絶縁体１１の外周に組み付ける。接地電極４０が中心電極２０と対向するように接地電極４０を屈曲して、スパークプラグ１０を得る。

図２から図５を参照して、絶縁体１１の外周面の形状について説明する。図２は絶縁体１１の外周面の実表面の断面曲線であり、絶縁体１１に形成された凹凸５０の輪郭が示されている。図２では横軸に軸線Ｏ方向の長さをとり、縦軸に高さをとる。実表面の断面曲線は、軸線Ｏを含む平面によって絶縁体１１の外周面を切断した切り口に現れる曲線（低域フィルタや高域フィルタによってカットオフされていない実測値）である。実表面の断面曲線は、ＪＩＳ Ｂ０６０１（２０１３年版）に基づき、接触式の表面粗さ測定機により測定される。

図２には、絶縁体１１のうち第２部１５の実表面の断面曲線が図示されている。図２に示す実表面の断面曲線は、軸線Ｏ方向に長さ４ｍｍの部分の凹凸５０の輪郭である。但し、図２には３ｍｍの範囲の断面曲線を示す。図２から明らかなように、絶縁体１１の凹凸５０は規則的に形成されている。実表面の断面曲線を、例えば３２７６８点のデジタルデータとして読み込み、フーリエ変換により周波数ｎ（但し１Ｈｚ≦ｎ≦３００Ｈｚ）の振幅ｆ（ｎ）を求める。

図３は、図２に示す実表面の断面曲線に高速フーリエ変換を施して得られたスペクトルである。図３では横軸に周波数をとり、縦軸に振幅をとる。図３に示すスペクトルは、実部および虚部のスペクトル成分が混在する。図３に示すようにスペクトルは、大きな振幅をもつ周波数（ピーク）が離散的に存在することがわかる。即ち、凹凸５０は周期性をもった波形（輪郭）である。スペクトルのベースラインのばらつきを少なくするために、周波数ｎの振幅ｆ（ｎ）についてｆ（ｎ＋１）−ｆ（ｎ）を算出する。スペクトル成分は実部および虚部から構成されるので、実部と虚部とに分けて計算を行い、絶対値をとる。

図４は実部のｆ（ｎ＋１）−ｆ（ｎ）の絶対値をとった結果であり、図５は虚部のｆ（ｎ＋１）−ｆ（ｎ）の絶対値をとった結果である。図４において、絶対値の大きいものから第１ピーク５１、第２ピーク５２、第３ピーク５３、第４ピーク５４とする。同様に図５において、絶対値の大きいものから第１ピーク６１、第２ピーク６２、第３ピーク６３、第４ピーク６４とする。

ここで、第１ピーク５１，６１から第４ピーク５４，６４を求めるときに、±２Ｈｚ以内に存在する２つ以上のピークは１つのピークとみなす。サンプリング周波数（実表面の断面曲線を読み込んだデータ数の逆数）が大きくなりデータ数が多くなるにつれて、±２Ｈｚ以内に存在するピークの数が増えるので、サンプリング周波数に依存したピークの誤検出を防ぐためである。

図４及び図５に示すように、第１ピーク５１，６１は２０〜３００Ｈｚに存在し、且つ、第１ピーク５１，６１、第２ピーク５２，６２、第３ピーク５３，６３及び第４ピーク５４，６４のうちの２つ以上のピークは３０〜３００Ｈｚに存在する。第１ピーク５１，６１、第２ピーク５２，６２、第３ピーク５３，６３及び第４ピーク５４，６４のうち３つ以上のピークは１〜２０Ｈｚに存在しない。

一方、研削加工が施されていない絶縁体（以下「比較例における絶縁体」と称す）の実表面の断面曲線を図６に示す。図６では横軸に軸線Ｏ方向の長さをとり、縦軸に高さをとる。図６に示す実表面の断面曲線は、軸線Ｏ方向に長さ４ｍｍの部分の輪郭である。但し、図６には３ｍｍの範囲の断面曲線を示す。実表面の断面曲線を、例えば３２７６８点のデジタルデータとして読み込み、フーリエ変換により周波数ｎ（但し１Ｈｚ≦ｎ≦３００Ｈｚ）の振幅ｆ（ｎ）を求める。

図７は、図６に示す実表面の断面曲線に高速フーリエ変換を施して得られたスペクトルである。図７では横軸に周波数をとり、縦軸に振幅をとる。図７に示すスペクトルは、実部および虚部のスペクトル成分が混在する。スペクトルのベースラインのばらつきを少なくするために、周波数ｎの振幅ｆ（ｎ）についてｆ（ｎ＋１）−ｆ（ｎ）を算出する。図８は実部のｆ（ｎ＋１）−ｆ（ｎ）の絶対値をとった結果であり、図９は虚部のｆ（ｎ＋１）−ｆ（ｎ）の絶対値をとった結果である。

図８において、絶対値の大きいものから第１ピーク７１、第２ピーク７２、第３ピーク７３、第４ピーク７４とし、図９において、絶対値の大きいものから第１ピーク７１、第２ピーク７２、第３ピーク７３、第４ピーク７４とする。なお、第１ピーク７１，８１から第４ピーク７４，８４を求めるときに、±２Ｈｚ以内に存在する２つ以上のピークは１つのピークとみなす。

図８及び図９に示すように、第１ピーク７１，８１は１〜２０Ｈｚに存在し、第１ピーク７１，８１、第２ピーク７２，８２、第３ピーク７３，８３及び第４ピーク７４，８４のうち３つ以上のピークは１〜２０Ｈｚに存在する。

以上のように絶縁体１１の凹凸５０は、１〜２０Ｈｚの低周波数域のピークが少なく、それよりも高い高周波数域のピークが多いので、絶縁体１１の表面に付着した水分等（水分（結露など）や燃料）を凹凸５０に沿って薄く広げることができる。凹凸５０は周方向に螺旋状に延びるので、絶縁体１１の表面に付着した水分等の量が多くても、凹凸５０の螺旋に沿って水分等を周方向および軸方向に広げることができる。その結果、絶縁体１１を構成するセラミックスの粒界のガラス相と反応する前に、絶縁体１１の外周面に薄く広がった水分等を蒸発させ易くできるので、ガラス相の劣化による絶縁体１１の強度低下を抑制できる。

これに対し、比較例における絶縁体のように表面の輪郭に１〜２０Ｈｚの低周波数域のピークが多く、それよりも高い高周波数域のピークが少ないと、絶縁体の表面に付着した水分等の大小の液滴が形を変え難く、絶縁体１１の外周面に薄く広がらない。しかして、絶縁体の表面に付着した水分等の液滴は蒸発し難いので、セラミックスの粒界のガラス相と水分等が反応し易くなる可能性がある。セラミックスの粒界のガラス相が反応してガラス相が劣化すると、絶縁体の強度が低下するおそれがある。しかし、本実施の形態におけるスパークプラグ１０によれば、この問題点を解決することができ、絶縁体１１の強度低下を抑制できる。

ここで、熱効率改善のために高圧縮比化や過給ダウンサイジング等の手段が適用されたエンジンにおいて広く採用されている筒内直接燃料噴射（いわゆる直噴エンジン）においては、燃料が絶縁体１１の外周面に付着する可能性が高い。絶縁体１１の表面に付着した水分等（特に燃料）が滴って中心電極２０の先端に達し、水分等が中心電極２０と接地電極４０との火花ギャップに溜まると、放電できなくなるおそれがある。

これに対し、スパークプラグ１０は螺旋状の凹凸５０が係合部１４よりも先端側（係合部１４を含む）に形成されているので、絶縁体１１の表面に付着した水分等が滴って中心電極２０の先端に達する前に、凹凸５０によって水分等を蒸発させ易くできる。よって、水分等が滴って中心電極２０の先端に達することを防ぎ、スパークプラグ１０が放電できなくなることを防止できる。

また、絶縁体１１は係合部１４、第２部１５、縮径部１７及び第３部１６の外周面が研削されている（外周面に研削痕が形成されている）ので、絶縁体１１の外径の寸法精度を向上させ、且つ、絶縁体１１の偏心率を小さくできる。主体金具３０と絶縁体１１との径方向のクリアランスの精度を向上させ、径方向の絶縁距離の精度を向上できるので、スパークプラグ１０の外径を小さくしても異常放電（火花ギャップ以外で生じる放電）を生じ難くできる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。例えば、実表面の断面曲線のデータ数はこれに限られるものではなく、適宜設定できる。

上記実施の形態では、スペクトル成分の実部および虚部の両方のピークについて、第１ピーク５１，６１は２０〜３００Ｈｚに存在し、且つ、第１ピーク５１，６１、第２ピーク５２，６２、第３ピーク５３，６３及び第４ピーク５４，６４のうちの２つ以上のピークは３０〜３００Ｈｚに存在し、第１ピーク５１，６１、第２ピーク５２，６２、第３ピーク５３，６３及び第４ピーク５４，６４のうち３つ以上のピークは１〜２０Ｈｚに存在しない場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。実部または虚部のいずれかが、上記の条件を満たしていれば良い。実表面の断面曲線は、ｃｏｓ波の項である実部とｓｉｎ波の項である虚部とが同時に含まれているからである。

上記実施の形態では、係合部１４、第２部１５、縮径部１７及び第３部１６の外周面の全てに凹凸５０が形成される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。凹凸５０は、係合部１４、第２部１５、縮径部１７及び第３部１６の外周面の少なくとも一部に形成されていれば良い。係合部１４、第２部１５、縮径部１７及び第３部１６の外周面の少なくとも一部に凹凸５０が形成されていれば、凹凸５０が全く存在しない絶縁体に比べて、水分等を凹凸に沿って広げることができ、水分等を蒸発させ易くできるからである。

上記実施の形態では、リング部材３７及び粉末３８を介して主体金具３０の被係合部３５が絶縁体１１の係合部１４の後端部と係合する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。リング部材３７及び粉末３８を省略して、主体金具３０の被係合部３５を絶縁体１１の係合部１４の後端部と係合させることは当然可能である。

上記実施の形態では、中心電極２０の先端に接地電極４０が対向するスパークプラグ１０について説明したが、スパークプラグの構造は必ずしもこれに限られるものではない。絶縁体１１を備える他のスパークプラグに、本実施の形態における技術を適用することは当然可能である。他のスパークプラグとしては、例えば、中心電極２０の側面に接地電極４０が対向するスパークプラグ、主体金具３０に複数の接地電極４０を接合した多極のスパークプラグ、中心電極よりも軸方向に突出する主体金具の先端に円環状の接地電極を配置したスパークプラグ、接地電極４０が省略され有底筒状の絶縁体に中心電極が覆われたスパークプラグなどが挙げられる。

１０ スパークプラグ
１１ 絶縁体
１４ 係合部
３０ 主体金具
３５ 被係合部
５０ 凹凸
５１，６１ 第１ピーク
５２，６２ 第２ピーク
５３，６３ 第３ピーク
５４，６４ 第４ピーク
Ｏ 軸線

Claims (1)

1. 自身の外周面に係合部が形成されると共に先端側から後端側へと軸線に沿って延びる筒状の絶縁体と、
   前記絶縁体の前記外周面に配置されると共に前記係合部の後端部と係合する被係合部を備える筒状の主体金具と、を備えるスパークプラグであって、
   前記絶縁体は、前記外周面のうち前記係合部よりも先端側の少なくとも燃焼ガスに曝される領域の一部に、自身の周方向に螺旋状に延びる凹凸が形成され、
   前記凹凸は、前記絶縁体の前記軸線を含む断面に現れる前記外周面の実表面の断面曲線にフーリエ変換を施して得られる１〜３００Ｈｚにおける周波数ｎの振幅ｆ（ｎ）について、ｆ（ｎ＋１）−ｆ（ｎ）の絶対値の大きいものから順に第１ピーク、第２ピーク、第３ピーク、第４ピークとするときに（但し、±２Ｈｚ以内に存在する２つ以上のピークは１つのピークとする）、
   前記第１ピークは２０〜３００Ｈｚに存在し、且つ、前記第１ピーク、前記第２ピーク、前記第３ピーク及び前記第４ピークのうちの２つ以上のピークは３０〜３００Ｈｚに存在し、前記第１ピーク、前記第２ピーク、前記第３ピーク及び前記第４ピークのうち３つ以上のピークは１〜２０Ｈｚに存在しないことを特徴とするスパークプラグ。

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