JP6817252B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明はスパークプラグに関し、特に外周面の一部におねじが形成された主体金具を有す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、エンジンのねじ穴に主体金具のおねじを締め付けてエンジンに取り付けられる。過大な締め付けトルクが加えられても主体金具が破断しないように、特許文献１には、主体金具の原形となる筒状の部材におねじを形成した後、その部材に浸炭処理または焼き入れ処理を行い、主体金具のねじ部を全周に亘って硬化させる技術が開示されている。

特開２００７−２８０９４２号公報

しかし、上記従来の技術では、ねじ部の硬化により主体金具の破断荷重は大きくできるが、硬化したねじ部は靭性が低下するので、締め付け速度が速いときに、締め付け速度が遅いときの破断荷重よりも小さい荷重で主体金具が破断するおそれがある。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、締め付け速度に関わらず主体金具の破断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軸線に沿って延び、外周面におねじが形成された円筒状の胴部と、胴部の後端に隣接し、径方向外側に張り出した座部と、を有する主体金具を備える。胴部には、軸線方向において、少なくとも、胴部の後端から、おねじの後端から１つ目のねじ山までの範囲を含む第１領域であり、周方向の一部の範囲である第１領域と、第１領域と周方向において隣接する第２領域と、が存在し、第１領域のビッカース硬さ値は、第２領域のビッカース硬さ値よりも大きい。

また、本発明のスパークプラグは、先端側から後端側へ軸線に沿って延び、外周面におねじが形成された円筒状の胴部と、胴部の後端に隣接し、径方向外側に張り出した座部と、を有する主体金具を備える。胴部には、軸線方向において、少なくとも、胴部の後端から、おねじの後端から１つ目のねじ山までの範囲を含む第１領域であり、周方向の一部の範囲である第１領域と、第１領域と周方向において隣接する第２領域と、が存在し、第１領域と第２領域とは組織が異なり、第１領域はマルテンサイトが存在する。

請求項１記載のスパークプラグによれば、主体金具の胴部のうち、スパークプラグを締め付けた際に大きな締め付け軸力がかかる部位である胴部の後端から、おねじの後端から１つ目のねじ山までの範囲に、第１領域と、第１領域と周方向に隣接し第１領域よりもビッカース硬さ値が小さい第２領域と、が存在する。第１領域のビッカース硬さ値よりもビッカース硬さ値が小さい第２領域が、締め付け軸力が加わる向きに沿って、第１領域と並列に存在するので、おねじを締め付けると、第１領域の伸びと第２領域の伸びとが等しくなるように第１領域および第２領域に締め付け軸力が配分される。これにより、第２領域が存在しない場合と比較して、締め付け軸力が速いときに、締め付け速度が遅いときの破断荷重よりも小さい荷重で主体金具が破断することを抑制できる。よって、締め付け速度に関わらず主体金具の破断を抑制できる。

請求項２記載のスパークプラグによれば、主体金具の胴部に、胴部の後端から、おねじの後端から１つ目のねじ山までの範囲を含む第１領域と、第１領域と周方向に隣接する第２領域と、が存在する。第１領域と第２領域とは組織が異なり、第２領域に硬度が大きいマルテンサイトが存在しない。第１領域よりも軟らかい第２領域が、締め付け軸力が加わる向きに沿って、第１領域と並列に存在するので、請求項１と同様の効果がある。

請求項３記載のスパークプラグによれば、第２領域は第１領域の周方向の両隣に隣接して存在するので、請求項１又は２の効果に加え、締め付け速度に関わらず主体金具の破断をさらに抑制できる。

請求項４記載のスパークプラグによれば、第１領域はマルテンサイトが存在するので、請求項１の効果に加え、炭素鋼によって主体金具を製造できる。

請求項５記載のスパークプラグによれば、第１領域は、軸線方向において、胴部の後端からおねじの先端までの範囲を含む。よって、請求項１から４のいずれかの効果に加え、締め付け軸力が加わる胴部の後端からおねじの先端までの強度を向上できる。

第１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。 （ａ）は主体金具の側面図であり、（ｂ）は図２（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ線における主体金具の断面図であり、（ｃ）は図２（ａ）のＩＩｃ−ＩＩｃ線における主体金具の断面図である。 主体金具のおねじの伸びと締め付け軸力との関係を示す模式図である。 （ａ）は第２実施の形態におけるスパークプラグの主体金具の側面図であり、（ｂ）は第３実施の形態におけるスパークプラグの主体金具の側面図であり、（ｃ）は第４実施の形態におけるスパークプラグの主体金具の側面図である。

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は第１実施の形態におけるスパークプラグ１０の軸線Ｏを境にした片側断面図である。図１では、おねじ１７のねじ山の図示が簡略化されている（図２（ａ）、図４（ａ）〜図４（ｃ）においても同じ）。図１の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。

図１に示すようにスパークプラグ１０は、絶縁体１１が主体金具１５に保持されている。絶縁体１１は、高温下の絶縁性や機械的特性に優れるアルミナ等により形成された略円筒状の部材である。絶縁体１１は、軸線Ｏに沿って軸孔１２が貫通する。

中心電極１３は、軸孔１２に挿入され軸線Ｏに沿って絶縁体１１に保持される棒状の電極である。中心電極１３は、絶縁体１１の先端から突出するように軸孔１２に配置されている。中心電極１３は、熱伝導性に優れる芯材が電極母材に埋設されている。電極母材は、Ｎｉを主体とする合金またはＮｉからなる金属材料で形成されており、芯材は銅または銅を主成分とする合金で形成されている。芯材を省略することは可能である。

端子金具１４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、先端側が絶縁体１１内に配置される。端子金具１４は、軸孔１２内で中心電極１３と電気的に接続されている。絶縁体１１の外周の先端側に主体金具１５が固定されている。

主体金具１５は、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成された略円筒状の部材である。主体金具１５は、円筒状に形成される胴部１６と、胴部１６の後端に隣接し径方向の外側に張り出す座部１８と、座部１８の後端に隣接する後端部１９とを備えている。後端部１９は、座部１８よりも肉厚が薄い薄肉部２０と、薄肉部２０から径方向の外側に突出する工具係合部２１と、を備えている。

胴部１６は、絶縁体１１の先端側の部分を取り囲む部位であり、外周におねじ１７が形成されている。おねじ１７は、エンジン２４のねじ穴２５に係合して主体金具１５をエンジン２４に固定する。座部１８は、エンジン２４に対するおねじ１７のねじ込み量を規制すると共に、おねじ１７とねじ穴２５との隙間を塞ぐための部位である。本実施の形態では、座部１８の先端にガスケット２３が装着されている。座部１８とエンジン２４との間に挟まれたガスケット２３は、おねじ１７とねじ穴２５との隙間を封止する。

薄肉部２０は、主体金具１５を絶縁体１１に組み付けるときに、塑性変形させて加締め固定するための部位である。工具係合部２１は、エンジン２４のねじ穴２５におねじ１７を締め付けるときに、レンチ等の工具を係合させる部位である。

接地電極２２は、主体金具１５の胴部１６に接合される棒状の金属製（例えばニッケル基合金製）の部材である。接地電極２２と中心電極１３との間に火花ギャップが形成される。本実施の形態では、接地電極２２は屈曲している。

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。まず、中心電極１３を絶縁体１１の軸孔１２に挿入し、中心電極１３の先端が絶縁体１１の先端から突出するように配置する。次いで、絶縁体１１の軸孔１２に端子金具１４を挿入し、端子金具１４と中心電極１３との導通を確保する。次に、予め接地電極２２が接合された主体金具１５に絶縁体１１を挿入し、主体金具１５の後端を屈曲して主体金具１５を絶縁体１１に組み付ける。接地電極２２を屈曲し、ガスケット２３を装着してスパークプラグ１０を得る。

図２を参照して主体金具１５について説明する。図２（ａ）は主体金具１５の側面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ線における主体金具１５の断面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）のＩＩｃ−ＩＩｃ線における主体金具１５の断面図である。図２（ａ）に示す主体金具１５は、絶縁体１１に組み付けられる前の状態が図示されている。図２（ａ）の紙面下側を主体金具１５の先端側、紙面上側を主体金具１５の後端側という（図４（ａ）〜図４（ｃ）においても同じ）。

主体金具１５は、例えば以下のような方法によって製造される。まず、主体金具１５の原形となる筒状のワーク（図示せず）を冷間鍛造や切削等により形成する。ワークは座部１８の先端に係合部３０が隣接している。係合部３０は、ガスケット２３（図１参照）が係合する部位である。

図２（ａ）に示すように、ワークの胴部１６に接地電極２２（屈曲する前の直線状の棒材）を接合した後、転造や切削等により胴部１６におねじ１７を形成する。係合部３０はおねじ１７の後端１７ａに隣接する。図２（ｂ）に示すように、おねじ１７の谷径は係合部３０の外径とほぼ同じである。胴部１６におねじ１７を形成した後、胴部１６に第１領域３１及び第２領域３２が作られ、主体金具１５が得られる。主体金具１５は必要に応じてメッキ等が施される。

第１領域３１は、ビッカース硬さ値が、第２領域３２のビッカース硬さ値よりも大きい領域である。本実施形態では、主体金具１５は低炭素鋼により形成されており、おねじ１７の表面の一部にレーザビームを照射して加熱することにより焼入れが行われ、第１領域３１が形成される。加熱が不十分な領域が第２領域３２となる。焼入れ後、必要に応じて焼戻しが行われる。焼入れにより第１領域３１の組織にマルテンサイトが存在し、第２領域３２の組織にオーステナイト及びパーライトの少なくとも一方が存在する。炭素鋼製の主体金具１５を用いることより、硬さの異なる第１領域３１及び第２領域３２を熱処理により形成できる。

なお、第１領域３１の形成はレーザ焼入れによるものに限られない。電子ビーム焼入れ、放電硬化、ショットピーニングにより第１領域３１を形成することは当然可能である。放電硬化やショットピーニングは炭素の固溶を利用して組織を硬化させる手段ではないので、主体金具１５の材質は炭素鋼でなくても良い。その場合、主体金具の材質は熱伝導性や耐熱性等を考慮して種々の金属材料の中から適宜選択できる。

また、おねじ１７の一部を硬化させて第１領域３１を形成するものに限られない。おねじ１７の一部を軟化させて第２領域３２を形成し、残りの部分を第１領域３１にすることは当然可能である。例えば、おねじ１７が形成された主体金具１５を焼入れ焼戻しにより硬化させた後、おねじ１７の表面の一部にレーザビームや電子ビームを照射して加熱することにより焼なまし（焼鈍）を行い、第２領域３２を形成できる。焼なましが不十分な領域が第１領域３１となる。

図２（ｃ）に示すように第１領域３１は胴部１６の周方向の一部の領域であり、第２領域３２は第１領域３１と周方向において隣接する。第１領域３１及び第２領域３２は、スパークプラグ１０のおねじ１７を、エンジン２４のねじ穴２５に締め付けた際に大きな締め付け軸力がかかる胴部１６の後端１６ａ（図２（ｂ）参照）から、おねじ１７の後端１７ａから１つ目のねじ山１７ｂまでの範囲１６ｂに存在する。１つ目のねじ山１７ｂは完全ねじ部、不完全ねじ部のどちらでも良い。本実施形態では、第１領域３１及び第２領域３２は胴部１６の後端１６ａからおねじ１７の先端１７ｃまでの範囲を含む。第２領域３２は第１領域３１の周方向の両隣に隣接して存在し、第１領域３１及び第２領域３２はそれぞれ３か所ある。

第１領域３１及び第２領域３２のビッカース硬さは、ＪＩＳ Ｚ２２４４：２００９に準拠して測定される。軸線Ｏに垂直な平面で胴部１６を切断し、その切断面を鏡面研磨してビッカース硬さを測定する試験片とする。ビッカース硬さ試験では、試験片（胴部１６）の周方向に互いに離れた複数の測定点に圧子を押し込んで圧痕を作る。胴部１６の外周面から各測定点までの距離は一定とし、各測定点において圧子に加える試験力および保持時間は同じにする。

本実施形態では、第１領域３１は、胴部１６の厚さ方向（径方向）の全体がレーザ焼入れにより硬化しているので、胴部１６の厚さの中心を測定点とする。但し、ショットピーニング等により第１領域３１を形成する場合など、おねじ１７の表面のごく一部に第１領域３１や第２領域３２が存在する場合には、硬化（又は軟化）した部分のビッカース硬さを測定する。

ビッカース硬さ値は第１領域３１や第２領域３２の中で±５０ＨＶ程度のばらつきがあるので、ビッカース硬さ値が１００ＨＶ以上異なる領域を第１領域３１及び第２領域３２とする。例えば、第１領域３１のビッカース硬さ値は５００ＨＶ以上であり、第２領域３２のビッカース硬さ値は４００ＨＶ未満である。

周方向に互いに離れた複数の測定点のビッカース硬さ値を測定し、それらを比較することにより、胴部１６の周方向において隣接する第１領域３１及び第２領域３２を特定できる。さらに、胴部１６の後端１６ａから切断面までの距離の異なる複数の試験片のビッカース硬さ値を測定することにより、第１領域３１及び第２領域３２が、胴部１６の後端１６ａから先端側に延びる範囲を特定できる。それらを組み合わせて、胴部１６における第１領域３１及び第２領域３２の周方向および軸線方向の広がりを特定できる。

また、軸線Ｏに垂直な平面で胴部１６を切断し、平らな断面が現れるように胴部１６を研磨し、金属顕微鏡またはＳＥＭによる組成像による組織観察により第１領域３１のマルテンサイトを確認できる。組織観察のときに、必要に応じて腐食液による電解または無電解エッチング等を行う。さらに、胴部１６の後端１６ａから切断面までの距離の異なる複数の断面の組織観察を行うことにより、第１領域３１及び第２領域３２が、胴部１６の後端１６ａから先端側に延びる範囲を特定できる。それらを組み合わせて、胴部１６における第１領域３１及び第２領域３２の周方向および軸線方向の広がりを特定できる。

図３は主体金具１５のおねじ１７の伸びと締め付け軸力との関係を示す模式図である。図３には、本実施形態における主体金具１５の線図の他、おねじ１７の全周に亘って第１領域３１が形成された比較例における主体金具（以下「金具３１」と称す）の線図、及び、おねじ１７の全周に亘って第２領域３２が形成された比較例における主体金具（以下「金具３２」と称す）の線図が図示されている。

おねじ１７に過大な締め付けトルクが加わると、降伏点を超えて破断する。金具３２は金具３１に比べて伸びは大きいが、金具３１よりも破断荷重が小さい。一方、金具３１はおねじ１７の硬化により金具３２よりも破断荷重が大きいが、おねじ１７の靭性が低下し、破断に至るまでの伸びが小さい。そのため、金具３１は締め付け速度が速いときに、その衝撃によって、締め付け速度が遅いときの破断荷重よりも小さい荷重で破断するおそれがある。

これに対し主体金具１５は、胴部１６の後端１６ａから、おねじ１７の後端１７ａから１つ目のねじ山１７ｂまでの範囲１６ｂに、第１領域３１と、第１領域３１と周方向に隣接しビッカース硬さ値が第１領域３１のビッカース硬さ値より小さい第２領域３２と、が存在する。範囲１６ｂは、締め付け時に応力集中が生じ易い部位である。締め付け軸力が加わる向き（軸線方向）に沿って第１領域３１と並列に第２領域３２が存在するので、おねじ１７を締め付けると、第１領域３１の伸びと第２領域３２の伸びとが等しくなるように第１領域３１及び第２領域３２に締め付け軸力が配分される。これにより、第２領域３２が存在しない場合（金具３１の場合）に比べて、締め付け速度が速いときに、締め付け速度が遅いときの破断荷重よりも小さい荷重で主体金具１５が破断することが抑制される。よって、締め付け速度に関わらず主体金具の破断を抑制できる。

また、主体金具１５は、第１領域３１にマルテンサイトが存在して硬化している。第１領域３１と第２領域３２とは組織が異なり、第２領域３２にはマルテンサイトが存在しない。第１領域３１よりも軟らかい第２領域３２が、締め付け軸力が加わる向きに沿って、第１領域３１と並列に存在するので、上記のとおり、締め付け速度に関わらず主体金具の破断を抑制できる。

第２領域３２が第１領域３１の周方向の両隣に隣接して存在するので、第１領域３１よりも軟らかい第２領域３２を周方向に分散して配置できる。これにより、締め付け速度に関わらず主体金具１５の破断をさらに抑制できる。

また、第１領域３１は、軸線方向において、胴部１６の後端１６ａからおねじ１７の先端１７ｃまでの範囲を含むように形成されているので、胴部１６の後端１６ａから１つ目のねじ山１７ｂまでの応力集中が生じ易い範囲１６ｂだけでなく、締め付け軸力が加わる胴部１６の後端１６ａからおねじ１７の先端１７ｃまでの強度を向上できる。

図４を参照して第２実施の形態から第４実施の形態について説明する。図４（ａ）は第２実施の形態におけるスパークプラグの主体金具４０の側面図であり、図４（ｂ）は第３実施の形態におけるスパークプラグの主体金具５０の側面図であり、図４（ｃ）は第４実施の形態におけるスパークプラグの主体金具６０の側面図である。主体金具４０，５０，６０は、第１実施形態で説明したスパークプラグ１０の主体金具１５に代えて、絶縁体１１を保持する。第１実施形態で説明した部分と同一の部分については、同一の符号を付して以下の説明を省略する。

図４（ａ）に示すように主体金具４０は、第１領域４１及び第２領域４２が、胴部１６の周方向に交互に形成されている。第１領域４１のビッカース硬さ値は第２領域４２のビッカース硬さ値よりも大きく、第１領域４１の組織にマルテンサイトが存在する。

第１領域４１は、胴部１６の後端１６ａから１つ目のねじ山１７ｂ（図２（ｂ）参照）までの範囲１６ｂに存在する。軸線方向（図４（ａ）上下方向）において、第１領域４１の先端からおねじ１７の先端１７ｃまでは第２領域４２が存在する。本実施形態では、第１領域４１及び第２領域４２は範囲１６ｂの中にそれぞれ２か所ある。主体金具４０は、応力集中が生じ易い範囲１６ｂに第１領域４１及び第２領域４２が存在するので、第１実施形態で説明したように、締め付け速度に関わらず主体金具４０の破断を抑制できる。

図４（ｂ）に示すように主体金具５０は、第１領域５１及び第２領域５２が、胴部１６の周方向に交互に形成されている。第１領域５１のビッカース硬さ値は第２領域５２のビッカース硬さ値よりも大きく、第１領域５１の組織にマルテンサイトが存在する。

第１領域５１は、胴部１６の後端１６ａからおねじ１７の先端１７ｃまでの範囲に存在する。本実施形態では、第１領域５１及び第２領域５２はそれぞれ６か所ある。第１実施形態に比べ、第１領域５１及び第２領域５２の周方向の幅を狭くできるので、第１領域５１及び第２領域５２をそれぞれ形成するためにおねじ１７に施す処理面積を小さくできる。その結果、第１実施形態で説明した作用効果に加え、第１領域５１及び第２領域５２を形成するための処理を簡易にできる。

図４（ｃ）に示すように主体金具６０は、第１領域６１及び第２領域６２が、胴部１６の周方向に交互に形成されている。第１領域６１のビッカース硬さ値は第２領域６２のビッカース硬さ値よりも大きく、第１領域６１の組織にマルテンサイトが存在する。

第１領域６１及び第２領域６２は、それぞれ胴部１６の後端１６ａから螺旋状に形成されている。これにより、第１領域および第２領域が軸線Ｏ（図２（ａ）参照）と平行に存在する場合に比べて、第１領域６１及び第２領域６２の長さを長くできる。第１領域６１及び第２領域６２を長くできる分だけ、第１領域６１及び第２領域６２の伸びを大きくできるので、第１実施形態で説明した作用効果に加え、締め付けトルクの許容範囲を拡大できる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記の実施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。例えば第１領域３１，４１，５１，６１及び第２領域３２，４２，５２，６２は少なくとも１つずつ存在すれば良いので、第１領域および第２領域の数は適宜設定できる。

実施形態では、主体金具１５，４０，５０，６０の座部１８の先端にガスケット２３が配置されるスパークプラグ１０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。ガスケットを省略し、座部１８の先端面にテーパを付け、座部１８をエンジン２４に接触させて燃焼ガスをシールするテーパーシートタイプのスパークプラグ（主体金具）に適用することは当然可能である。

実施形態では、焼入れ、放電硬化、ショットピーニングにより第１領域３１，４１，５１，６１を形成したり、焼なまし（焼鈍）により第２領域３２，４２，５２，６２を形成したり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。ビッカース硬さ値が１００ＨＶ以上異なる２つの素材を準備し、その素材を使って第１領域および第２領域を形成し、それらを溶接等によって接合して第１領域および第２領域が存在する主体金具を製造することは当然可能である。

１０ スパークプラグ
１５，４０，５０，６０ 主体金具
１６ 胴部
１６ａ 胴部の後端
１６ｂ 範囲
１７ おねじ
１７ａ おねじの後端
１７ｂ ねじ山
１７ｃ おねじの先端
１８ 座部
３１，４１，５１，６１ 第１領域
３２，４２，５２，６２ 第２領域
Ｏ 軸線

Claims (5)

1. 先端側から後端側へ軸線に沿って延び、外周面におねじが形成された円筒状の胴部と、
   前記胴部の後端に隣接し、径方向外側に張り出した座部と、を有する主体金具を備えるスパークプラグであって、
   前記胴部には、前記軸線方向において、少なくとも、前記胴部の後端から、前記おねじの後端から１つ目のねじ山までの範囲を含む第１領域であり、周方向の一部の範囲である第１領域と、
   前記第１領域と周方向において隣接する第２領域と、が存在し、
   前記第１領域のビッカース硬さ値は、前記第２領域のビッカース硬さ値よりも大きいスパークプラグ。
2. 先端側から後端側へ軸線に沿って延び、外周面におねじが形成された円筒状の胴部と、
   前記胴部の後端に隣接し、径方向外側に張り出した座部と、を有する主体金具を備えるスパークプラグであって、
   前記胴部には、前記軸線方向において、少なくとも、前記胴部の後端から、前記おねじの後端から１つ目のねじ山までの範囲を含む第１領域であり、周方向の一部の範囲である第１領域と、
   前記第１領域と周方向において隣接する第２領域と、が存在し、
   前記第１領域と前記第２領域とは組織が異なり、前記第１領域はマルテンサイトが存在するスパークプラグ。
3. 前記第２領域は、前記第１領域の周方向の両隣に隣接して存在する請求項１又は２に記載のスパークプラグ。
4. 前記第１領域はマルテンサイトが存在する請求項１記載のスパークプラグ。
5. 前記第１領域は、前記軸線方向において、前記胴部の後端から前記おねじの先端までの範囲を含む請求項１から４のいずれかに記載のスパークプラグ。

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