JP6427133B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は、スパークプラグに関する。

従来、スパークプラグの耐久性や着火性を高めるために、中心電極や接地電極に貴金属チップを接合することが行われている（特許文献１参照）。

特開２０１５−１５９０００号公報

しかし、貴金属チップを備えるスパークプラグが、例えば、高過給化された内燃機関や直噴方式の内燃機関など、筒内における混合気の流速が速い内燃機関に用いられた場合、火花の吹き流れにより、火花が、貴金属チップではなく、中心電極や接地電極（以下、まとめて「電極母材」ともいう）に直接的に飛火する場合がある。これらの電極母材に火花が直接的に飛火すると、電極母材が消耗してしまい、スパークプラグの耐久性が低下するおそれがある。そのため、貴金属チップを有するスパークプラグにおいて、火花が電極母材に直接的に飛火することを抑制可能な技術が望まれている。

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、スパークプラグが提供される。このスパークプラグは、軸線に沿った軸孔を有する絶縁体と；前記軸孔に設けられた中心電極と；前記絶縁体の外周に配置された筒状の主体金具と；前記主体金具に基端が固定された接地電極と；前記接地電極に中間チップを介して固定され、自身と前記中心電極との間に隙間を形成する円柱状の貴金属チップと；を備え、前記貴金属チップと前記中間チップとの間に溶接部を有するスパークプラグにおいて、前記溶接部の径が、前記中間チップのうちの前記溶接部に隣接する部分の径よりも大きく、前記中心電極の先端周縁から前記溶接部の外周縁に接するようにストレート状に広がる筒状の仮想周面の内側に、前記貴金属チップが位置することを特徴とする。このような形態のスパークプラグであれば、貴金属チップと中間チップとの間の溶接部の径が大きいため、電極母材としての接地電極に火花が直接的に飛火することを抑制することができる。

（２）上記形態のスパークプラグにおいて、前記溶接部の径は、全周に亘って、前記中間チップのうちの前記溶接部に隣接する部分の径よりも大きくてもよい。このような形態のスパークプラグであれば、火花が接地電極に直接的に飛火することをより効果的に抑制することができる。

（３）上記形態のスパークプラグにおいて、前記中間チップは、前記接地電極と接合される部分に鍔部を有し、前記鍔部の前記貴金属チップ側を向く面と前記溶接部との間の距離が、前記鍔部の前記面から前記貴金属チップの先端との間の距離の１０％以上であってもよい。このような形態のスパークプラグであれば、中間チップの鍔部と溶接部との間の距離が十分に確保されるので、その部分を利用して中間チップを接地電極に容易に接合することができる。

（４）本発明の他の形態によれば、スパークプラグが提供される。このスパークプラグは、軸線に沿った軸孔を有する絶縁体と；前記軸孔に設けられた中心電極と；前記絶縁体の外周に配置された筒状の主体金具と；前記主体金具に基端が固定された接地電極と；前記中心電極の先端に固定され、自身と前記接地電極との間に隙間を形成する円柱状の貴金属チップと；を備え、前記貴金属チップと前記中心電極との間に溶接部を有するスパークプラグにおいて、前記溶接部の径が、前記中心電極のうちの前記溶接部に隣接する部分の径よりも大きいことを特徴とする。このような形態のスパークプラグであれば、貴金属チップと中心電極との間の溶接部の径が大きいため、電極母材としての中心電極に火花が直接的に飛火することを抑制することができる。

（５）上記形態のスパークプラグにおいて、前記接地電極には貴金属チップが設けられ、前記接地電極の貴金属チップの先端周縁から前記溶接部の外周縁に接するようにストレート状に広がる筒状の仮想周面の内側に、前記中心電極の貴金属チップが位置してもよい。このような形態のスパークプラグであれば、火花が中心電極に直接的に飛火することをより効果的に抑制することができる。

（６）上記形態のスパークプラグにおいて、前記溶接部の径は、全周に亘って、前記中心電極のうちの前記溶接部に隣接する部分の径よりも大きくてもよい。このような形態のスパークプラグであれば、火花が中心電極に直接的に飛火することをより効果的に抑制することができる。

本発明は、上述したスパークプラグとしての形態以外にも、例えば、スパークプラグの製造方法など、種々の形態で実現することが可能である。

第１実施形態としてのスパークプラグの部分断面図である。 貴金属チップおよび中心電極の拡大図である。 第２実施形態における中心電極の拡大図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態としてのスパークプラグ１００の部分断面図である。スパークプラグ１００は、軸線Ｏに沿った細長形状を有している。図１において、一点破線で示す軸線Ｏの右側は、外観正面図を示し、軸線Ｏの左側は、軸線Ｏを通る断面図を示している。以下の説明では、図１の下方側をスパークプラグ１００の先端側と呼び、図１の上方側を後端側と呼ぶ。

スパークプラグ１００は、軸線Ｏに沿った軸孔１２を有する絶縁体１０と、軸孔１２に設けられた中心電極２０と、絶縁体１０の外周に配置された筒状の主体金具５０と、主体金具５０に基端３２が固定された接地電極３０と、を備える。

絶縁体１０は、アルミナを始めとするセラミックス材料を焼成して形成された絶縁碍子である。絶縁体１０は、先端側に中心電極２０の一部を収容し、後端側に端子金具４０の一部を収容する軸孔１２が中心に形成された筒状の部材である。絶縁体１０の軸方向中央には外径の大きい中央胴部１９が形成されている。中央胴部１９の後端側には、中央胴部１９よりも外径が小さい後端側胴部１８が形成されている。中央胴部１９の先端側には、後端側胴部１８よりも外径が小さい先端側胴部１７が形成されている。先端側胴部１７の更に先端側には、先端側胴部１７よりも小さい外径であって中心電極２０側へ向かうほど外径が小さくなる脚長部１３が形成されている。

主体金具５０は、絶縁体１０の後端側胴部１８の一部から脚長部１３に亘る部位を包囲して保持する円筒状の金具である。主体金具５０は、例えば、低炭素鋼により形成され、全体にニッケルめっきや亜鉛めっき等のめっき処理が施されている。主体金具５０は、後端側から順に、工具係合部５１と、シール部５４と、取付ネジ部５２とを備える。工具係合部５１には、スパークプラグ１００をエンジンヘッドに取り付けるための工具が嵌合する。取付ネジ部５２は、エンジンヘッドの取付ネジ孔にねじ込まれるネジ山を有する。シール部５４は、取付ネジ部５２の根元に鍔状に形成されている。シール部５４とエンジンヘッドとの間には、板体を折り曲げて形成した環状のガスケット６５が嵌挿される。主体金具５０の先端側の端面５７は、中空の円状であり、その中央からは、絶縁体１０の脚長部１３の先端と中心電極２０の先端とが突出する。

主体金具５０の工具係合部５１より後端側には厚みの薄い加締部５３が設けられている。また、シール部５４と工具係合部５１との間には、加締部５３と同様に厚みの薄い圧縮変形部５８が設けられている。工具係合部５１から加締部５３にかけての主体金具５０の内周面と絶縁体１０の後端側胴部１８の外周面との間には、円環状のリング部材６６，６７が介在されており、更に両リング部材６６，６７間にタルク（滑石）６９の粉末が充填されている。スパークプラグ１００の製造時には、加締部５３を内側に折り曲げるようにして先端側に押圧することにより圧縮変形部５８が圧縮変形する。この圧縮変形部５８の圧縮変形により、リング部材６６，６７およびタルク６９を介し、絶縁体１０が主体金具５０内で先端側に向け押圧される。そして、この押圧により、タルク６９が軸線Ｏ方向に圧縮されて主体金具５０内の気密性が高められる。

主体金具５０の内周においては、取付ネジ部５２の内周に形成された金具内段部５６に、環状の板パッキン６８を介し、絶縁体１０の脚長部１３の後端に位置する碍子段部１５が押圧されている。この板パッキン６８は、主体金具５０と絶縁体１０との間の気密性を保持する部材であり、燃焼ガスの流出を防止する。

中心電極２０は、電極部材２１の内部に、電極部材２１よりも熱伝導性に優れる芯材２２が埋設された棒状の部材である。電極部材２１は、ニッケルを主成分とするニッケル合金からなり、芯材２２は、銅または銅を主成分とする合金からなる。中心電極２０の先端の径は、例えば、０．９ｍｍである。

中心電極２０の後端部近傍には、外周側に張り出した鍔部２３が形成されている。鍔部２３は、軸孔１２に形成された軸孔内段部１４に後端側から接触して、中心電極２０を絶縁体１０内で位置決めする。中心電極２０の後端部は、シール体６４およびセラミック抵抗６３を介して端子金具４０に電気的に接続される。

接地電極３０は、ニッケルを主成分とした合金によって形成されている。接地電極３０は、主体金具５０の端面５７に基端３２が固定されている。接地電極３０は、基端３２から先端側に向かって軸線Ｏに沿って延び、先端部３３の一側面が中心電極２０の先端面に対向するように、その中間部分が屈曲されている。本実施形態では、接地電極３０の先端部３３の中心電極２０側を向く面に、円柱状の貴金属チップ３１が備えられている。貴金属チップ３１の径は、例えば、１．０ｍｍである。貴金属チップ３１は、自身と中心電極２０との間に火花放電のための隙間を形成する。この隙間は、例えば、０．８ｍｍである。貴金属チップ３１は、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）あるいはこれらの合金によって形成されている。

図２は、貴金属チップ３１および中心電極２０の拡大図である。貴金属チップ３１は、中間チップ７０を介して接地電極３０に固定されている。本実施形態では、貴金属チップ３１の先端３６の面と中心電極２０の先端２６の面とは略平行である。また、貴金属チップ３１の中心軸は、中心電極２０の先端２６の面を通り、中心電極２０の中心軸は、貴金属チップ３１の先端３６の面を通る。本実施形態では、貴金属チップ３１の中心軸と中心電極２０の中心軸とは一致しており、それぞれ軸線Ｏにも一致している。なお、他の実施形態では、貴金属チップ３１の中心軸と中心電極２０の中心軸とは、ずれていてもよい。また、貴金属チップ３１の中心軸と中心電極２０の中心軸とは交差していてもよく、また、ねじれの関係にあってもよい。

中間チップ７０は、接地電極３０と同じ材料によって形成されている。中間チップ７０は、円柱状のストレート部７１と鍔状の鍔部７２とを備えている。ストレート部７１の径は、例えば、１．１ｍｍである。鍔部７２は、ストレート部７１の先端側の端部に設けられている。貴金属チップ３１は、中間チップ７０のストレート部７１にレーザー溶接されている。中間チップ７０は、貴金属チップ３１が接合された状態で、鍔部７２を押さえながら接地電極３０に接触させて抵抗溶接することで、接地電極３０に接合されている。貴金属チップ３１と中間チップ７０との間には溶接部３４が存在する。溶接部３４は、レーザー溶接時に、貴金属チップ３１と中間チップ７０の材料が溶融し、その後、凝固することによって形成されている。溶接部３４の最大の径Ｒ１は、例えば、１．３ｍｍである。なお、鍔部７２は省略してもよい。

本実施形態では、溶接部３４は、外周側に膨らんでいる。このような膨らみは、例えば、貴金属チップ３１および中間チップ７０の外周に連続的にレーザーを照射しつつ貴金属チップ３１および中間チップ７０を回転させることで、遠心力により生成することができる。また、貴金属チップ３１と中間チップ７０との接合時に、貴金属チップ３１および中間チップ７０を圧縮する方向に荷重を加えることによっても膨らみを形成することが可能である。

本実施形態では、溶接部３４の径Ｒ１は、全周に亘って、中間チップ７０のうちの溶接部３４に隣接する部分、すなわち、ストレート部７１の径Ｒ２よりも大きい。また、本実施形態では、中心電極２０の先端周縁２５から溶接部３４の外周縁３５に接するようにストレート状に広がる筒状の仮想周面８０の内側に、貴金属チップ３１の全体が位置する。なお、筒状の仮想周面８０とは、中心電極２０の先端周縁２５と溶接部３４の外周縁３５とを、全周に亘って直線で結ぶことによって形成される仮想的な面である。

また、本実施形態では、鍔部７２の貴金属チップ３１側を向く面７３と溶接部３４との間の距離Ｌ１、すなわち、ストレート部７１の長さＬ１が、鍔部７２の面７３から貴金属チップ３１の先端３６との間の距離Ｌ２の１０％以上である。

以上で説明した本実施形態のスパークプラグ１００では、溶接部３４の径Ｒ１がストレート部７１の径Ｒ２よりも大きい。そのため、内燃機関の筒内の混合気の流速が速い場合などにおいて、火花が吹き流れたとしても、溶接部３４の径Ｒ１がストレート部７１の径Ｒ２と同程度の大きさの場合（溶接部３４が外周側に膨らんでいない場合）と比較して、中間チップ７０や接地電極３０などの電極母材よりも、溶接部３４に飛火しやすい。従って、溶接部３４よりも貴金属チップ３１から離れた位置にある中間チップ７０や接地電極３０などの電極母材に飛火する可能性が低くなり、電極母材が消耗することを抑制することができる。なお、溶接部３４は、貴金属チップ３１の成分を含んでいるため、電極母材よりも耐久性が高い。そのため、溶接部３４に飛火したとしても電極母材に飛火するよりは消耗を抑制することが可能である。

また、本実施形態では、中心電極２０の先端周縁２５から溶接部３４の外周縁３５に接するようにストレート状に広がる筒状の仮想周面８０の内側に、貴金属チップ３１が位置する。そのため、内燃機関の筒内の混合気の流速が早い場合等において、火花が吹き流れたとしても、貴金属チップ３１が仮想周面８０の範囲を外周側に超えて存在する場合と比較して、溶接部３４に飛火しやすくなる。従って、火花が直接的に電極母材に飛火することを、より効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、溶接部３４の径Ｒ１は、全周に亘って、ストレート部７１の径Ｒ２よりも大きい。そのため、火花が直接的に電極母材に飛火することをより効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、ストレート部７１の長さＬ１が、鍔部２３の面７３から貴金属チップ３１の先端３６との間の距離Ｌ２の１０％以上であるため、ストレート部７１の長さを十分に確保することができる。したがって、ストレート部７１や鍔部７２の面７３を用いて中間チップ７０を接地電極３０に容易に抵抗溶接することができる。

なお、上記実施形態では、溶接部３４の径Ｒ１が、全周に亘って、ストレート部７１の径Ｒ２よりも大きい。これに対して、溶接部３４の一部の径Ｒ１が、ストレート部７１の径Ｒ２より大きくてもよい。溶接部３４の一部の径Ｒ１が、ストレート部７１の径Ｒ２より大きい場合であっても、その一部において、火花が直接的に電極母材に飛火することを抑制可能である。

また、上記実施形態では、ストレート部７１の長さＬ１が、鍔部２３の面７３から貴金属チップ３１の先端３６との間の距離Ｌ２の１０％以上である。これに対して、中間チップ７０を接地電極３０に接合可能であれば、ストレート部７１の長さＬ１は、距離Ｌ２の１０％未満であってもよい。

Ｂ．第２実施形態：
図３は、第２実施形態における中心電極２０の拡大図である。第２実施形態では、中心電極および接地電極の構成が第１実施形態と異なり、他の部分の構成は第１実施形態と同じである。

第２実施形態では、中心電極２０の先端に、円柱状の貴金属チップ２７が固定されている。貴金属チップ２７は、自身と接地電極３０との間に火花放電のための隙間を形成する。貴金属チップ２７の径は、例えば、０．７ｍｍである。中心電極２０と貴金属チップ２７とは、レーザー溶接されている。そのため、中心電極２０と貴金属チップ２７との間には溶接部２８が存在する。溶接部２８の最大の径Ｒ３は、例えば、１．２ｍｍである。また、中心電極２０の溶接部２８に隣接した部分の径Ｒ４は、例えば、１．０ｍｍである。

本実施形態では、接地電極３０には、円柱状の貴金属チップ３１ａが直接的に接合されている。貴金属チップ３１ａの径は、例えば、１．０ｍｍである。貴金属チップ３１ａと中心電極２０側の貴金属チップ２７との隙間は、例えば、０．８ｍｍである。本実施形態では、貴金属チップ３１ａは、接地電極３０に抵抗溶接されている。なお、貴金属チップ３１ａは、第１実施形態と同様に、中間チップを介して接地電極３０に固定されてもよい。

本実施形態において、貴金属チップ３１ａの先端３６ａの面と中心電極２０側の貴金属チップ２７の先端２６ａの面とは略平行である。また、接地電極３０側の貴金属チップ３１ａの中心軸は、中心電極２０側の貴金属チップ２７の先端２６ａの面を通り、中心電極２０側の貴金属チップ２７の中心軸は、接地電極３０側の貴金属チップ３１ａの先端３６ａの面を通る。本実施形態では、接地電極３０側の貴金属チップ３１ａの中心軸と、中心電極２０側の貴金属チップ２７の中心軸とは一致しており、それぞれ軸線Ｏにも一致している。なお、他の実施形態では、接地電極３０側の貴金属チップ３１ａの中心軸と中心電極２０側の貴金属チップ２７の中心軸とは、ずれていてもよい。また、接地電極３０側の貴金属チップ３１ａの中心軸と中心電極２０側の貴金属チップ２７の中心軸とは交差していてもよく、また、ねじれの関係にあってもよい。

本実施形態においても溶接部２８は外周側に膨らんでいる。具体的には、溶接部２８の径Ｒ３は、全周に亘って、中心電極２０の溶接部２８に隣接する部分の径Ｒ４よりも大きい。また、接地電極３０側の貴金属チップ３１ａの先端周縁３７から溶接部２８の外周縁２９に接するようにストレート状に広がる筒状の仮想周面８０ａの内側に、中心電極２０側の貴金属チップ２７の全体が位置する。

以上で説明した第２実施形態においても、溶接部２８の径Ｒ３が、中心電極２０の溶接部２８に隣接する部分の径Ｒ４よりも大きい。そのため、内燃機関の筒内の混合気の流速が速い場合などにおいて、火花が吹き流れたとしても、溶接部２８の径Ｒ３が溶接部２８に隣接する部分の径Ｒ４と同程度の大きさの場合（溶接部２８が外周側に膨らんでいない場合）と比較して、電極母材（中心電極２０）よりも、溶接部２９に飛火しやすい。従って、溶接部２９よりも貴金属チップ３１ａから離れた位置にある電極母材に飛火する可能性が低くなり、電極母材としての中心電極２０が消耗することを抑制することができる。

また、本実施形態では、接地電極３０側の貴金属チップ３１ａの先端周縁３７から溶接部２８の外周縁２９に接するようにストレート状に広がる筒状の仮想周面８０ａの内側に、中心電極２０側の貴金属チップ２７が位置する。そのため、内燃機関の筒内の混合気の流速が早い場合等において、火花が吹き流れたとしても、中心電極２０側の貴金属チップ２７が仮想周面８０ａの範囲を外周側に超えて存在する場合と比較して、溶接部２８に飛火しやすくなる。従って、火花が直接的に電極母材に飛火することを、より効果的に抑制することができる。

また、本実施形態においても、溶接部２８の径Ｒ３は、全周に亘って、中心電極２０の溶接部２８に隣接する部分の径Ｒ４よりも大きいため、火花が直接的に中心電極２０に飛火することを効果的に抑制することができる。

なお、第２実施形態では、溶接部２８の径Ｒ３は、全周に亘って、中心電極２０の溶接部２８に隣接する部分の径Ｒ４よりも大きい。これに対して、溶接部２８の一部の径が、中心電極２０の溶接部２８に隣接する部分の径より大きくてもよい。溶接部２８の一部の径が、中心電極２０の溶接部２８に隣接する部分の径より大きい場合であっても、その一部において、火花が直接的に中心電極２０に飛火することを抑制可能である。

本発明は、上述の実施形態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することができる。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。

１０…絶縁体
１２…軸孔
１３…脚長部
１４…軸孔内段部
１５…碍子段部
１７…先端側胴部
１８…後端側胴部
１９…中央胴部
２０…中心電極
２１…電極部材
２２…芯材
２３…鍔部
２５…先端周縁
２６，２６ａ…先端
２７…貴金属チップ
２８…溶接部
２９…外周縁
３０…接地電極
３１，３１ａ…貴金属チップ
３２…基端
３３…先端部
３４…溶接部
３５…外周縁
３６，３６ａ…先端
３７…先端周縁
４０…端子金具
５０…主体金具
５１…工具係合部
５２…取付ネジ部
５３…加締部
５４…シール部
５６…金具内段部
５７…端面
５８…圧縮変形部
６３…セラミック抵抗
６４…シール体
６５…ガスケット
６６，６７…リング部材
６８…板パッキン
６９…タルク
７０…中間チップ
７１…ストレート部
７２…鍔部
７３…面
８０，８０ａ…仮想周面
１００…スパークプラグ

Claims (2)

1. 軸線に沿った軸孔を有する絶縁体と、
   前記軸孔に設けられた中心電極と、
   前記絶縁体の外周に配置された筒状の主体金具と、
   前記主体金具に基端が固定された接地電極と、
   前記接地電極に中間チップを介して固定され、自身と前記中心電極との間に隙間を形成する円柱状の貴金属チップと、を備え、
   前記貴金属チップと前記中間チップとの間に溶接部を有するスパークプラグにおいて、
   前記溶接部の径が、前記中間チップのうちの前記溶接部に隣接する部分の径よりも大きく、
   前記中心電極の先端周縁から前記溶接部の外周縁に接するようにストレート状に広がる筒状の仮想周面の内側に、前記貴金属チップが位置し、
   前記中間チップは、前記接地電極と接合される部分に鍔部を有し、
   前記鍔部の前記貴金属チップ側を向く面と前記溶接部との間の距離が、前記鍔部の前記面から前記貴金属チップの先端との間の距離の１０％以上であることを特徴とするスパークプラグ。
2. 請求項１に記載のスパークプラグであって、
   前記溶接部の径は、全周に亘って、前記中間チップのうちの前記溶接部に隣接する部分の径よりも大きいことを特徴とするスパークプラグ。

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