JP6419747B2

JP6419747B2 - スパークプラグ

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Publication number: JP6419747B2
Application number: JP2016069897A
Authority: JP
Inventors: 裕則上垣; 和浩黒澤; 勝哉高岡; 邦治田中
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2036-03-31
Also published as: US20170288374A1; JP2017183122A; EP3226366A1; CN107453210A; US9997894B2; EP3226366B1

Description

本発明は、スパークプラグに関する。

内燃機関の点火のためにスパークプラグに通電をすると、電波ノイズが発生する。この電波ノイズを低減するために、中心電極の先端から抵抗体の先端までの距離を調整する手法が知られている（特許文献１）。

特開２００６−６６０８６号公報

近年、軽量化のために、内燃機関の部品を樹脂で形成することが増えてきている。内燃機関の部品が樹脂で形成されると、電波ノイズの抑制効果が弱くなる。このため、スパークプラグ自体によって、電波ノイズを抑制することが更に求められている。本願発明は、上記を踏まえ、スパークプラグによって発生する電波ノイズの抑制を解決課題とする。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、以下の形態として実現できる。

本発明の一形態は、先端側に接地電極を有する筒状の主体金具と；前記主体金具内に保持される筒状の絶縁碍子と；前記絶縁碍子内に挿入され、前記接地電極との間隙において火花放電を発生させる中心電極と；前記絶縁碍子内において、前記中心電極の後端よりも、自身の先端が後端側に配置された抵抗体と；前記絶縁碍子内において、前記中心電極と前記抵抗体との間に配置された先端側導電性シール層と；前記絶縁碍子内において、前記抵抗体の後端側に配置された後端側導電性シール層と；を備えるスパークプラグであって；前記抵抗体の先端は、前記主体金具の後端よりも先端側に位置し；前記抵抗体の後端は、前記主体金具の後端よりも後端側に位置することを特徴とするスパークプラグである。

この形態によれば、スパークプラグによって発生する電波ノイズが抑制される。この形態の場合、抵抗体の先端が主体金具の後端よりも先端側に位置し、抵抗体の後端が主体金具の後端よりも後端側に位置する。一方、主体金具の後端よりも後端側においては、主体金具と絶縁碍子とによるコンデンサは形成されない。このため、抵抗体の後端から主体金具の後端までにおいては、電波ノイズが抵抗体を流れる。この結果、抵抗体内において電波ノイズが減衰し、上記効果が得られる。

上記形態において、前記抵抗体は、前記主体金具の後端よりも後端側に位置する部位の少なくとも一部が強磁性体であってもよい。この形態によれば、高周波の電波ノイズが抑制される。

上記形態において、前記抵抗体のうち前記強磁性体である部位は、金属酸化物を含む第１の層を形成し；前記抵抗体のうち前記強磁性体でない部位は、カーボンを含む第２の層を形成し；前記第１の層および前記第２の層は、導電性ガラスシール層によって隔てられていてもよい。この形態によれば、強磁性体でない部位に含まれるカーボンによって、強磁性体である部位に含まれる金属酸化物が還元されることが回避される。この結果、金属酸化物による強磁性体としての性質が低下することが抑制される。

スパークプラグを示す断面図（実施形態１）スパークプラグの製造手順を示すフローチャートセラミック抵抗の基材の製造手順を示すフローチャートスパークプラグを示す断面図（実施形態２）スパークプラグを示す断面図（実施形態３）スパークプラグを示す断面図（実施形態４）スパークプラグを示す断面図（実施形態５）

実施形態１を説明する。図１は、スパークプラグ１０１を示す断面図である。スパークプラグ１０１は、主体金具１と、絶縁碍子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１０１の長手方向の中心を軸線Ｏとして表した。また軸線Ｏに沿って、接地電極４側をスパークプラグ１０１の先端側と呼び、端子金具１３側を後端側と呼ぶ。

主体金具１は、炭素鋼等の金属によって中空円筒状に形成されており、スパークプラグ１０１のハウジングを構成する。主体金具１は、先端側に接地電極４を有する。

絶縁碍子２は、セラミック焼結体によって構成され、主体金具１の内部に先端側が保持されている。絶縁碍子２は、筒状の部材であり、内部には軸線Ｏに沿った軸孔６が形成されている。軸孔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。

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が露出した状態で軸孔６に配置されている。中心電極３は、発火部３１と接地電極４との間隙において火花放電を発生させる。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。

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１０１は、ねじ部５を用いて、エンジンのシリンダヘッドに装着される。

軸孔６内（つまり絶縁碍子２内）において、端子金具１３と中心電極３との間には、セラミック抵抗１５が配置されている。セラミック抵抗１５は、抵抗体５１でもある。以下、材質に着目している場合以外は、抵抗体５１と呼ぶ。抵抗体５１は、中心電極３の後端よりも、自身の先端が後端側に配置されている。

抵抗体５１の先端側の端部は、先端側導電性シール層１６を介して、中心電極３に電気的に接続されている。つまり、先端側導電性シール層１６は、絶縁碍子２内において、中心電極３と抵抗体５１との間に配置されている。

抵抗体５１の後端側の端部は、後端側導電性シール層１７を介して、端子金具１３に電気的に接続されている。つまり、後端側導電性シール層１７は、絶縁碍子２内において、抵抗体５１の後端側に配置されている。

セラミック抵抗１５は、端子金具１３と中心電極３との間における電気抵抗として機能することによって、火花放電時の電波ノイズの発生を抑制する。セラミック抵抗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、セラミック抵抗１５は、後述する製造手順を経て製造される。

抵抗体５１の先端は、主体金具１の後端Ａよりも先端側に位置する。且つ、抵抗体５１の後端は、主体金具１の後端Ａよりも後端側に位置する。このため、電波ノイズが抑制される。なぜなら、主体金具１の後端Ａよりも後端側においては、主体金具１と抵抗体５１とによるコンデンサが形成されないからである。

もし、上記のコンデンサが形成されると、電波ノイズに含まれる高周波成分の大部分は、そのコンデンサを流れる。なぜなら、コンデンサは、高周波成分に対するインピーダンスが小さいからである。このため、高周波成分を減衰させる効果は期待できない。

これに対し、本実施形態の構成によって上記のコンデンサが形成されなければ、抵抗体５１の後端から主体金具の後端までにおいては、電波ノイズが抵抗体５１を流れる。この結果、抵抗体５１内において電波ノイズが減衰し、上記効果が得られる。

抵抗体５１のＲ成分による電波ノイズの減衰効果は、Ｒ成分を大きくすることによって、その効果を高めることができる。なお、この効果は、電波ノイズの周波数に依存しない。よって、電波ノイズに含まれる低周波成分と高周波成分を減衰させることができる。

さらなる効果として、本実施形態においては、絶縁碍子２内における中心電極３の長さが短く設計されているため、電極消耗を抑制できる。電極消耗とは、火花放電を繰り返すことによって、発火部３１が消耗することである。

電極消耗については、スパークプラグ１０１が有する静電容量、特に抵抗体５１よりも先端側の絶縁碍子２が有する静電容量が小さければ小さいほど有利である。これは、絶縁碍子２が中心電極３と主体金具１とで挟まれることによってコンデンサとして作用し、このコンデンサに溜まった電荷が放電時に一気に流れることによって電極が消耗するからである。よって、コンデンサに溜まる電荷が小さければ小さいほど、電極消耗に有利である。上記の効果を得るため、絶縁碍子２内における中心電極３の長さは、短く設計されている。これを実現するために、抵抗体５１は、主体金具１の後端Ａよりも先端側の長さが長く設計されている。

なお、抵抗体５１は導体であるため、抵抗体５１と主体金具１との間にはコンデンサが形成される。このため、抵抗体５１が長いと、このコンデンサの容量が大きくなる。但し、そのコンデンサに溜まった電荷は、放電時に抵抗体５１を通る。このため、抵抗体５１のＲ成分によって熱に変換されるため、抵抗体５１の長さは、電極消耗に殆ど影響しない。また、抵抗体５１よりも後端側に溜まった電荷についても同様にして熱に変換されるので、電極消耗には殆ど影響しない。

また、抵抗体５１のうち、主体金具１の後端Ａよりも後端側の部位における電気抵抗は、５００Ω以上に設定されている。

図２は、スパークプラグ１０１の製造手順を示すフローチャートである。まず、セラミック抵抗１５の基材を製造する（Ｓ１０５）。

図３は、セラミック抵抗１５の基材の製造手順を示すフローチャートである。まず、材料を湿式ボールミルによって混合する（Ｓ２０５）。この材料とは、セラミック粉末と、導電材と、バインダとである。セラミック粉末は、例えば、ＺｒＯ₂及びＴｉＯ₂を含むセラミック粉末である。導電材は、例えば、カーボンブラックである。バインダ（有機バインダ）は、例えば、ポリカルボン酸等の分散剤である。これらの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する。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、高速剪断ミキサによって分散させる（Ｓ２１０）。高速剪断ミキサとは、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するミキサである。高速剪断ミキサは、例えば、アキシャルミキサ（Axial mixer）である。

Ｓ２１０によって得られた材料を、すぐにスプレードライ法によって造粒する（Ｓ２１５）。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（Ｓ２２０）、乾燥させることで（Ｓ２２５）、セラミック抵抗１５の基材（粉体）が完成する。なお、先述の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。

次に、絶縁碍子２の軸孔６に中心電極３を挿入する（Ｓ１１０）。そして、導電性ガラス粉末を軸孔６に充填して圧縮する（Ｓ１１５）。この圧縮は、例えば、軸孔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って実現する。Ｓ１１５によって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、先端側導電性シール層１６となる。導電性ガラス粉末は、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である。

次に、セラミック抵抗１５の基材（粉体）を、軸孔６に充填して圧縮し（Ｓ１２０）、さらに、導電性ガラス粉末を軸孔６に充填して圧縮する（Ｓ１２５）。Ｓ１２０によって形成される粉末の層は、後述する加熱圧縮工程を経て、セラミック抵抗１５となる。同様に、Ｓ１２５によって形成される粉末の層は、後述する加熱圧縮工程を経て、後端側導電性シール層１７となる。なお、Ｓ１２５において用いられる導電性ガラス粉末は、Ｓ１１５で用いた導電性ガラス粉末と同じ粉末である。また、Ｓ１２０，Ｓ１２５における圧縮方法は、Ｓ１１５における圧縮方法と同じ方法である。

次に、端子金具１３の一部を軸孔６に挿入して、絶縁碍子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（Ｓ１３０）。この加熱圧縮工程によって、軸孔６に充填された各材料が圧縮及び焼成されて、軸孔６内に、先端側導電性シール層１６と、後端側導電性シール層１７と、セラミック抵抗１５とが形成される。

次に、主体金具１に接地電極を接合し（Ｓ１３５）、絶縁碍子２を主体金具１に挿入して（Ｓ１４０）、主体金具１を加締める（Ｓ１４５）。Ｓ１４５の加締め工程によって、絶縁碍子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（Ｓ１５０）、接地電極４が完成する。その後、ガスケット（図示しない）が主体金具１に取り付けられ（Ｓ１５５）、スパークプラグ１０１が完成する。

図４を用いて、スパークプラグ１０２による実施形態２を説明する。実施形態２において、特に説明しない内容については、実施形態１と同じである。

スパークプラグ１０２においては、セラミック抵抗１５と後端側導電性シール層１７との間に、強磁性体層４０が設けられている。強磁性体層４０は、金属酸化物の一種としての酸化鉄を含む。この酸化鉄は、詳しくは酸化鉄(III)であり、化学式はＦｅ₂Ｏ₃である。

強磁性体層４０を設けるために、先述したＳ１２０とＳ１３０との間に、新たな工程が追加される。この工程では、強磁性体層４０の基体を、軸孔６に充填して圧縮する。

強磁性体層４０は、セラミック抵抗１５と共に、抵抗体５２を形成する。強磁性体層４０は抵抗体５２の第１の層であり、セラミック抵抗１５は抵抗体５２の第２の層である。強磁性体層４０の後端は、主体金具１の後端Ａよりも後端側に位置する。このため、抵抗体５２の後端は、主体金具１の後端Ａよりも後端側に位置する。なお、セラミック抵抗１５の後端も、主体金具１の後端Ａよりも後端側に位置する。

強磁性体層４０は、酸化鉄を含むため、スパークプラグ１０２の使用温度において強磁性を呈する。強磁性を呈する物質は、強磁性を呈しない物質（例えばセラミック抵抗１５）よりも、特に高周波の電波ノイズの抑制に効果的である。よって、強磁性体層４０の少なくとも一部が、主体金具１の後端Ａよりも後端に設けられていることによって、高周波の電波ノイズが抑制される。なお、スパークプラグ１０２においては、強磁性体層４０の全部が、主体金具１の後端Ａよりも後端に設けられている。また、強磁性を呈しない物質とは、スパークプラグ１０２の使用温度において常磁性を呈する物質であると言い換えてもよい。

図５を用いて、スパークプラグ１０３による実施形態３を説明する。実施形態３において、特に説明しない内容については、実施形態２と同じである。

スパークプラグ１０３における強磁性体層４０及びセラミック抵抗１５は、抵抗体５３を形成する。強磁性体層４０の一部は、主体金具１の後端Ａよりも先端側に設けられており、残りの部位は、主体金具１の後端Ａよりも後端に設けられている。このため、スパークプラグ１０３におけるセラミック抵抗１５の後端は、主体金具１の後端Ａよりも先端側に位置する。

強磁性体層４０の後端は、主体金具１の後端Ａよりも後端側に位置するため、抵抗体５３の後端は、主体金具１の後端Ａよりも後端側に位置する。実施形態３によれば、強磁性体層４０のうち、主体金具１の後端Ａよりも後端側の部位が長くなるので、実施形態２よりも高周波成分の減衰効果が高くなる。

図６を用いて、スパークプラグ１０４による実施形態４を説明する。実施形態４において、特に説明しない内容については、実施形態３と同じである。

スパークプラグ１０４における強磁性体層４０及びセラミック抵抗１５は、抵抗体５４を形成する。セラミック抵抗１５と強磁性体層４０との間には、導電性ガラスシール層１８が設けられている。導電性ガラスシール層１８の材質は、先端側導電性シール層１６及び後端側導電性シール層１７の材質と同じである。

導電性ガラスシール層１８を設けるために、Ｓ１２０と、強磁性体層４０を充填して圧縮する工程（実施形態２参照）との間に、新たな工程が追加される。この工程では、導電性ガラス粉末を軸孔６に充填して圧縮する。

スパークプラグ１０４においては、スパークプラグ１０３と同じく、強磁性体層４０の一部が、主体金具１の後端Ａよりも先端側に設けられている。このため、導電性ガラスシール層１８の後端は、主体金具１の後端Ａよりも先端側に位置する。

ところで、強磁性体層４０に含まれる酸化鉄は、カーボンに接触していると還元反応が進行する場合がある。セラミック抵抗１５にはカーボンブラックが含まれるので、酸化鉄は、セラミック抵抗１５に接触していると、還元される場合がある。酸化鉄が還元されると、強磁性を呈さない物質に変化する。このため、先述した高周波の電波ノイズを抑制する効果が弱くなる。

本実施形態においては、強磁性体層４０が設けられていることによって、強磁性体層４０は、セラミック抵抗１５から隔離される。このため、上記の還元は、殆ど発生せず、高周波の電波ノイズを抑制する効果が維持される。

図７を用いて、スパークプラグ１０５による実施形態５を説明する。実施形態５において、特に説明しない内容については、実施形態４と同じである。

スパークプラグ１０４における強磁性体層４０及びセラミック抵抗１５は、抵抗体５５を形成する。スパークプラグ１０５においては、セラミック抵抗１５の後端が、主体金具１の後端Ａよりも後端に位置する。なお、実施形態４と同じく、後端側導電性シール層１７の後端が主体金具１の後端Ａよりも後端に位置するため、抵抗体５５の後端は主体金具１の後端Ａよりも後端に位置する。

本実施形態によれば、導電性ガラスシール層１８と主体金具１とによってコンデンサが形成されることを回避できる。

本発明は、本明細書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、先述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、先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できる。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、削除できる。例えば、以下のものが例示される。

強磁性体層は、酸化鉄以外の金属酸化物（例えば酸化クロム）によって、強磁性を呈してもよい。

１…主体金具
２…絶縁碍子
３…中心電極
４…接地電極
５…ねじ部
６…軸孔
１３…端子金具
１５…セラミック抵抗
１６…先端側導電性シール層
１７…後端側導電性シール層
１８…導電性ガラスシール層
３１…発火部
３２…先端部
４０…強磁性体層
５１…抵抗体
５２…抵抗体
５３…抵抗体
５４…抵抗体
５５…抵抗体
１０１…スパークプラグ
１０２…スパークプラグ
１０３…スパークプラグ
１０４…スパークプラグ
１０５…スパークプラグ
Ａ…後端
Ｏ…軸線

Claims

先端側に接地電極を有する筒状の主体金具と、
前記主体金具内に保持される筒状の絶縁碍子と、
前記絶縁碍子内に挿入され、前記接地電極との間隙において火花放電を発生させる中心電極と、
前記絶縁碍子内において、前記中心電極の後端よりも、自身の先端が後端側に配置された抵抗体と、
前記絶縁碍子内において、前記中心電極と前記抵抗体との間に配置された先端側導電性シール層と、
前記絶縁碍子内において、前記抵抗体の後端側に配置された後端側導電性シール層と、
を備えるスパークプラグであって、
前記抵抗体は、先端側がセラミック抵抗であり、該セラミック抵抗の後端側に強磁性体層を備え、
前記セラミック抵抗の先端は、前記主体金具の後端よりも先端側に位置し、
前記セラミック抵抗の後端は、前記主体金具の後端よりも後端側に位置する
ことを特徴とするスパークプラグ。
前記抵抗体のうち前記強磁性体層である部位は、金属酸化物を含む第１の層を形成し、
前記抵抗体のうち前記強磁性体層でない部位は、カーボンを含む第２の層を形成し、
前記第１の層および前記第２の層は、導電性ガラスシール層によって隔てられている
ことを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。