JP7179043B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明はスパークプラグに関し、特に母材にチップが接合された接地電極を備えるスパークプラグに関するものである。

接地電極のチップと中心電極との間に火花ギャップが形成されるスパークプラグにおいて、特許文献１には、放電面が四角形状のチップを用いる技術が開示されている。

特開２０１８－１５６７２８号公報

上記技術では、接地電極と中心電極との間に電位差が生じると、チップの放電面の辺の付近に電界が集中するので、放電面の辺の付近と中心電極との間に放電が生じ易い。チップの放電面の４辺のうちいずれか１辺の付近に放電が集中すると、チップの特定の１辺の付近が発熱する。発熱によって局所的な熱応力が大きくなると、チップの破壊や剥離の原因となるおそれがある。

本発明はこの問題点を解決するためになされたものであり、熱応力によるチップの破壊や剥離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、中心電極と、中心電極を絶縁保持する主体金具と、主体金具に一端部が接続された母材と、母材の他端部に接合されたチップと、を備える接地電極と、を備えている。チップは、中心電極と火花ギャップを介して対向する放電面を備え、放電面は四角形状であって４辺には面取りが施されており、４辺のうち相対する２辺にはＣ面が形成され、４辺のうち相対する他の２辺にはＲ面が形成されている。

請求項１記載のスパークプラグによれば、チップの放電面は四角形状であって４辺には面取りが施されている。４辺のうち相対する２辺にはＣ面が形成され、４辺のうち相対する他の２辺にはＲ面が形成されている。接地電極と中心電極との間に電位差が生じると、チップの放電面の４辺のうち、Ｒ面が形成された２辺の付近に比べて、Ｃ面が形成された２辺の付近に電界が集中し易くなる。その結果、相対する２辺のＣ面の付近に放電が生じ易くなる。Ｃ面が形成された２辺の両方に放電が分散し易くなるので、特定の１辺の付近に放電が集中することがなくなり、チップの熱応力が局所的に大きくならないようにできる。よって、熱応力によるチップの破壊や剥離を抑制できる。

請求項２記載のスパークプラグによれば、チップの放電面の２つのＣ面の大きさは異なり、小さい方のＣ面が、母材の端面の側に配置されている。接地電極と中心電極との間に電位差が生じると、小さい方のＣ面に電界が集中し易くなるので、母材の端面の側に配置されたＣ面の付近に放電が生じ易くなる。母材の端面近くのＣ面の付近の放電によって生じる火炎核は、エネルギーが母材に奪われ難いので、火炎核が成長し易くなり、着火性を向上できる。

一方、チップのうち母材の端面の側に配置されたＣ面の付近は、放電の頻度が高くなり発熱し易くなるので、熱応力が大きくなり易い。母材にチップを接合する溶融部は、母材の端面から放電面に沿って設けられ、放電面に垂直な方向の溶融部の厚さは、放電面に沿って母材の端面から離れるにつれて薄くなる。よって、チップのうち母材の端面に近い部位の熱応力は溶融部によって緩和され易くなる。従って、請求項１の効果に加え、熱応力に起因する溶融部の破壊やチップの剥離を抑制できる。

請求項３記載のスパークプラグによれば、Ｃ面に比べて放電の頻度が低い２つのＲ面は、片方のＲ面が母材の端面に最も近い位置にあり、もう片方のＲ面が母材の端面から最も遠い位置にある。Ｒ面に比べて放電の頻度が高くなるチップのＣ面は、母材の他端部から一端部へ向かう方向に沿って配置されている。Ｃ面の付近の放電によって生じる火炎核はエネルギーが母材に奪われ難いので、火炎核が成長し易くなり、着火性を向上できる。

また、チップを母材に接合する溶融部は、母材の端面から放電面に沿って設けられる。放電面に垂直な方向の溶融部の厚さは、放電面に沿って端面から離れるにつれて薄くなるので、それに伴い、チップの熱応力は緩和され難くなる。しかし、母材の端面から最も遠い位置に、放電の頻度が低いチップのＲ面があるので、チップのうち母材の端面から最も遠い部位の、放電によって生じる熱応力を小さくできる。よって、請求項１の効果に加え、熱応力に起因する溶融部の破壊やチップの剥離を抑制できる。

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。 接地電極の平面図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線における接地電極の断面図である。 図２のＩＶ－ＩＶ線における接地電極の断面図である。 第２実施の形態におけるスパークプラグの接地電極の平面図である。 図５のＶＩ－ＶＩ線における接地電極の断面図である。 図５のＶＩＩ－ＶＩＩ線における接地電極の断面図である。

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、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、中心電極１５、主体金具２０及び接地電極３０を備えている。

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には、軸線Ｏに沿って延びる軸孔１２が形成されている。絶縁体１１の軸線方向のほぼ中央には、径方向の外側へ向かって張り出す円環状の張出部１３が形成されている。絶縁体１１は、張出部１３よりも先端側に、軸線方向の先端側に向かうにつれて外径が小さくなる段部１４が設けられている。絶縁体１１の軸孔１２の先端側に、中心電極１５が配置されている。

中心電極１５は、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１５は、熱伝導性に優れる芯材が母材１６に埋設されている。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いる。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。芯材は省略できる。母材１６の先端に、貴金属を含有するチップ１７が接合されている。チップ１７は省略できる。

中心電極１５は、絶縁体１１の軸孔１２の中で端子金具１８と電気的に接続されている。端子金具１８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。

主体金具２０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、軸線Ｏに沿って延びる略円筒状の部材である。主体金具２０は、絶縁体１１の張出部１３よりも先端側の部分を囲む先端部２１と、先端部２１の後端側に連なる座部２３と、座部２３の後端側に設けられた工具係合部２４と、工具係合部２４の後端側に連なる後端部２５と、を備えている。先端部２１の外周面には、先端部２１の軸線方向のほぼ全長に亘って、エンジン（図示せず）のねじ穴に螺合するおねじ２２が形成されている。先端部２１の内周には、軸線方向の先端側に向かうにつれて内径が小さくなる棚部２６が設けられている。

座部２３は、エンジンに対するおねじ２２のねじ込み量を規制すると共に、おねじ２２とねじ穴との隙間を塞ぐための部位である。工具係合部２４は、エンジンのねじ穴におねじ２２をねじ込むときに、レンチ等の工具を係合させる部位である。後端部２５は、径方向の内側へ向けて屈曲する円環状の部位である。後端部２５は、絶縁体１１の張出部１３よりも後端側に位置する。

絶縁体１１の張出部１３と主体金具２０の後端部２５との間に、タルク等の粉末が充填されたシール部２７が全周に亘って設けられている。絶縁体１１の段部１４と主体金具２０の棚部２６との間に、金属製の円環状のパッキン（図示せず）が介在する。主体金具２０の先端部２１には接地電極３０が接続されている。

接地電極３０は、導電性を有する金属材料（例えばＮｉ基合金等）によって形成された母材３１と、母材３１に接合されたチップ３４と、を備えている。母材３１は、主体金具２０に接合された一端部３２と、チップ３４が接合された他端部３３と、を備える棒状の部材である。チップ３４は、例えばＰｔ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ等の貴金属のうちの１種または２種以上を含む化学組成を有する。貴金属を含有するチップ３４は、溶融部３５を介して母材３１に接合されている。接地電極３０のチップ３４の放電面３６と中心電極１５との間に火花ギャップ３７が形成される。

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１５を絶縁体１１の軸孔１２に配置する。次いで、中心電極１５と端子金具１８との導通を確保しながら、絶縁体１１の軸孔１２に端子金具１８を挿入する。次に、予め接地電極３０が接続された主体金具２０に絶縁体１１を挿入し、主体金具２０の棚部２６から後端部２５までの部分が、絶縁体１１の段部１４から張出部１３までの部分に、シール部２７及びパッキン（図示せず）を介して軸線方向の圧縮荷重を加える。これにより絶縁体１１は主体金具２０に保持される。次いで、接地電極３０の母材３１を屈曲して火花ギャップ３７を形成し、スパークプラグ１０を得る。

図２は接地電極３０の平面図である。図２は母材３１の他端部３３（図１参照）が図示されており、一端部３２（図１参照）の図示が省略されている。図３は図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線における接地電極３０の断面図である。図４は図２のＩＶ－ＩＶ線における接地電極３０の断面図である。

図２から図４に示すように、母材３１の他端部３３（図１参照）は、中心電極１５の側を向く第１面３８と、第１面３８に接続され他端部３３側から一端部３２（図１参照）側へ延びる一対の第２面３９と、第１面３８及び第２面３９に接続される端面４０と、第２面３９及び端面４０に接続される第３面４１と、を備えている。第３面４１は第１面３８の反対側に位置する。

母材３１の第１面３８には、母材３１の端面４０につながる凹み３１ａが形成されている。チップ３４は凹み３１ａの中に配置されている。チップ３４を母材３１に接合する溶融部３５は、チップ３４の放電面３６の裏面３４ａにおいて、母材３１の端面４０から放電面３６に沿って設けられている。

チップ３４の放電面３６は、４辺に囲まれた四角形状である。放電面３６は、チップ３４の側面４２，４３，４４，４５につながっている。チップ３４の側面４２は、母材３１の端面４０と同じ方向を向いている。チップ３４の側面４３，４５は、それぞれ母材３１の第２面３９と同じ方向を向いている。チップ３４の側面４４は、チップ３４の側面４２の反対側に位置する。

放電面３６の４辺は、側面４２，４３，４４，４５と放電面３６との交線である。本実施形態では、チップ３４の放電面３６の面積は中心電極１５の放電面１５ａの面積よりも大きく、中心電極１５の放電面１５ａの全体が、チップ３４の放電面３６と軸線方向に対向している。チップ３４の放電面３６は、本実施形態では長方形であるが、放電面３６を正方形、平行四辺形、ひし形、台形などの他の四角形にすることは当然可能である。放電面３６の４辺には、面取りが施されている。

放電面３６の４辺のうち相対する２辺にはＣ面４６，４７が形成されている。４辺のうち相対する他の２辺にはＲ面４８，４９が形成されている。Ｃ面４６は、放電面３６と側面４２とをつなぐ角面である。Ｃ面４６は、放電面３６や側面４２に交わる角度が４５°であるものに限られない。Ｃ面４７は、放電面３６と側面４４とをつなぐ角面である。Ｃ面４７は、放電面３６や側面４４に交わる角度が４５°であるものに限られない。それらの角度は０°より大きく９０°より小さい任意の角度に設定される。

本実施形態では、チップ３４は、母材３１の端面４０に最も近い位置に片方のＣ面４６が配置されており、母材３１の端面４０から最も遠い位置にもう片方のＣ面４７が配置されている。２つのＣ面４６，４７の大きさは異なる。Ｃ面４６，４７の大きさは、放電面３６に平行な方向における、Ｃ面４６，４７が形成されている辺に垂直な方向の幅のことをいう。母材３１の端面４０に近いＣ面４６の大きさＷ１は、母材３１の端面４０から遠いＣ面４７の大きさＷ２に比べて小さい。

Ｒ面４８，４９は、母材３１の第２面３９に沿って配置されている。Ｒ面４８は、放電面３６と側面４３とをつなぐ丸面または楕円面である。Ｒ面４９は、放電面３６と側面４５とをつなぐ丸面または楕円面である。Ｒ面４８，４９の大きさは、Ｒ面４８，４９の曲率半径のことをいう。２つのＲ面４８，４９の大きさはほぼ同じであるが、異なっていても良い。

チップ３４の放電面３６に垂直な方向の溶融部３５の厚さは、放電面３６に沿って母材３１の端面４０から離れるにつれて、即ち母材３１の一端部３２（図１参照）に近づくにつれて、薄くなっている。溶融部３５のうちチップ３４の側面４２に接する部位の厚さは、溶融部３５のうちチップ３４の側面４４に接する部位よりも厚い。

溶融部３５は、母材３１の凹み３１ａの中にチップ３４を配置した後、母材３１の端面４０の側から放電面３６とほぼ平行にレーザ光を照射し、チップ３４の側面４２の端から端までレーザ光を走査することにより得られる。レーザ媒質は、例えばファイバーレーザ、ディスクレーザ等が挙げられるが、これに限られるものではない。溶融部３５は、チップ３４と母材３１とが溶け合ってなる。

スパークプラグ１０の端子金具１８（図１参照）と主体金具２０との間に電圧を印加すると、接地電極３０では、チップ３４の放電面３６の４辺のうち、Ｒ面４８，４９が形成された２辺の付近に比べて、Ｃ面４６，４７が形成された２辺の付近に電界が集中し易くなる。その結果、相対する２辺のＣ面４６，４７の付近に放電が生じ易くなる。Ｃ面４６，４７が形成された２辺の両方に放電が分散し易くなるので、チップ３４の特定の１辺の付近に放電が集中することがなくなる。その結果、チップ３４の特定の１辺の付近だけが発熱しないようにできる。これにより、母材３１の線膨張係数とチップ３４の線膨張係数との差によって生じるチップ３４の熱応力が、局所的に大きくならないようにできる。よって、熱応力によるチップ３４の破壊や剥離を抑制できる。

チップ３４の放電面３６の２つのＣ面４６，４７のうち、小さい方のＣ面４６が、母材３１の端面４０の側に配置されている。大きさが異なる２つのＣ面４６，４７を比較すると、小さい方のＣ面４６に電界が集中し易くなるので、母材３１の端面４０の側に配置されたＣ面４６の付近に放電が生じ易くなる。母材３１の端面４０近くに配置されたＣ面４６の付近は、Ｃ面４６に相対するＣ面４７の付近に比べて開放されているので、Ｃ面４６の付近の放電によって生じる火炎核は、エネルギーが母材３１に奪われ難くなる。火炎核が成長し易くなるので、着火性を向上できる。

一方、Ｃ面４６の付近の放電の頻度が高くなると、Ｃ面４６の付近が発熱し易くなるので、チップ３４のＣ面４６の付近の熱応力が大きくなり易い。しかし、放電面３６に垂直な方向の溶融部３５の厚さは、放電面に沿って母材３１の端面４０に近づくにつれて厚くなっており、溶融部３５のうちチップ３４の側面４２に接する部位の厚さは、溶融部３５のうちチップ３４の側面４４に接する部位よりも厚いので、チップ３４のＣ面４６の付近の熱応力は溶融部３５によって緩和され易くなる。従って、熱応力に起因する溶融部３５の破壊やチップ３４の剥離を抑制できる。

図５から図７を参照して第２実施の形態について説明する。第１実施形態では、チップ３４の相対する２つのＣ面４６，４７が、母材３１の端面４０に最も近い位置および端面４０から最も遠い位置に配置される場合について説明した。これに対し第２実施形態では、チップ５１の相対する２つのＲ面５３，５４が、母材３１の端面４０に最も近い位置および端面４０から最も遠い位置に配置される場合について説明する。なお、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５は第２実施の形態におけるスパークプラグの接地電極５０の平面図である。図６は図５のＶＩ－ＶＩ線における接地電極５０の断面図である。図７は図５のＶＩＩ－ＶＩＩ線における接地電極５０の断面図である。接地電極５０は、第１実施形態におけるスパークプラグ１０の接地電極３０に代えて、主体金具２０に接続される。図５は接地電極５０の母材３１の他端部３３（図１参照）が図示されており、一端部３２（図１参照）の図示が省略されている。

図５から図７に示すように接地電極５０のチップ５１は、母材３１に形成された凹み３１ａの中に配置されている。チップ５１を母材３１に接合する溶融部３５は、チップ５１の放電面５２の裏面５１ａにおいて、母材３１の端面４０から放電面５２に沿って設けられている。

チップ５１の放電面５２は、４辺に囲まれた四角形状である。放電面５２の４辺は、チップ５１の側面４２，４３，４４，４５と放電面５２との交線である。本実施形態では、チップ５１の放電面５２の面積は中心電極１５の放電面１５ａの面積よりも大きく、中心電極１５の放電面１５ａの全体が、チップ５１の放電面５２と軸線方向に対向している。放電面５２の４辺には、面取りが施されている。

放電面５２の４辺のうち相対する２辺にはＲ面５３，５４が形成されている。４辺のうち相対する他の２辺にはＣ面５５，５６が形成されている。本実施形態では、チップ５１は、母材３１の端面４０に最も近い位置に片方のＲ面５３が配置されており、母材３１の端面４０から最も遠い位置にもう片方のＲ面５４が配置されている。２つのＲ面５３，５４の大きさは、ほぼ同じである。Ｒ面５３は、放電面５２と側面４２とをつなぐ丸面または楕円面である。Ｒ面５４は、放電面５２と側面４４とをつなぐ丸面または楕円面である。

Ｃ面５５，５６は、母材３１の第２面３９に沿って配置されている。Ｃ面５５は、放電面５２と側面４３とをつなぐ角面である。Ｃ面５５は、放電面５２や側面４３に交わる角度が４５°であるものに限られない。Ｃ面５６は、放電面５２と側面４５とをつなぐ角面である。Ｃ面５６は、放電面５２や側面４５に交わる角度が４５°であるものに限られない。それらの角度は０°より大きく９０°より小さい任意の角度に設定される。本実施形態では、Ｃ面５５，５６の、放電面５２に平行な方向における大きさはほぼ同じであるが、異なっていても良い。

スパークプラグ１０の端子金具１８（図１参照）と主体金具２０との間に電圧を印加すると、接地電極５０では、チップ５１の放電面５２の４辺のうち、Ｒ面５３，５４が形成された２辺の付近に比べて、Ｃ面５５，５６が形成された２辺の付近に電界が集中し易くなる。その結果、相対する２辺のＣ面５５，５６の付近に放電が生じ易くなる。Ｃ面５５，５６が形成された２辺の両方に放電が分散し易くなるので、チップ５１の特定の１辺の付近に放電が集中することがなくなる。その結果、チップ５１の特定の１辺の付近だけが発熱しないようにできる。これにより、母材３１の線膨張係数とチップ５１の線膨張係数との差によって生じるチップ５１の熱応力が、局所的に大きくならないようにできる。よって、熱応力によるチップ５１の破壊や剥離を抑制できる。

Ｃ面５５，５６に比べて放電の頻度が低い２つのＲ面５３，５４は、片方のＲ面５３が母材３１の端面４０に最も近い位置にあり、もう片方のＲ面５４が母材３１の端面４０から最も遠い位置にある。Ｒ面５３，５４に比べて放電の頻度が高くなるチップ５１のＣ面５５，５６は、母材３１の第２面３９に沿って配置されている。母材３１の第２面３９は開放されているので、Ｃ面５５，５６の付近の放電によって生じる火炎核は、エネルギーが母材３１に奪われ難くなる。火炎核が成長し易くなるので、着火性を向上できる。

また、放電面５２に垂直な方向の溶融部３５の厚さは、放電面５２に沿って母材３１の端面４０から離れるにつれて薄くなるので、それに伴い、チップ５１の熱応力は緩和され難くなる。しかし、母材３１の端面４０から最も遠い位置に、放電の頻度が低いチップ５１のＲ面５４が配置されているので、チップ５１のうち母材３１の端面４０から最も遠い部位の、放電によって生じる熱応力を小さくできる。よって、チップ５１の熱応力に起因する溶融部３５の破壊やチップ５１の剥離を抑制できる。

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。

実施形態では、接地電極３０，５０の母材３１の凹み３１ａにチップ３４，５１が配置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。母材３１に凹み３１ａを形成することなく、母材３１の第１面３８にチップ３４，５１を配置し接合することは当然可能である。

実施形態では、接地電極３０，５０の母材３１の端面４０側からレーザ光を照射して溶融部３５を形成し、チップ３４，５１を接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。例えば、母材３１の第２面３９の側からレーザ光を照射したり母材３１の第３面４１の側からレーザ光を照射したりして溶融部を形成し、チップ３４，５１を母材３１に接合することは当然可能である。また、レーザ溶接によって母材３１にチップ３４，５１が接合されるものに限られない。抵抗溶接によって母材３１にチップ３４，５１を接合することは当然可能である。

実施形態では、チップ３４，５１の放電面３６，５２が中心電極１５の放電面１５ａより大きい場合について説明したが、これに限られるものではない。チップ３４，５１の放電面３６，５２を中心電極１５の放電面１５ａより小さくすることは当然可能である。この場合、中心電極１５の放電面１５ａの一部が、チップ３４，５１の放電面３６，５２と軸線方向に対向している。

第２実施形態では、チップ５１の放電面５２の相対する２辺に形成されたＲ面５３，５４の大きさがほぼ等しい場合について説明したが、これに限られるものではない。Ｒ面５３，５４の大きさを異ならせることは当然可能である。Ｒ面５３，５４の大きさが異なる場合には、Ｒ面が小さい方（曲率半径が小さい方）に放電が生じ易くなるので、放電面５２の４辺の付近の放電の頻度を任意に設定できる。Ｒ面５３，５４の大きさを異ならせる場合には、母材３１の端面４０の側に配置されたＲ面５３を小さくすることが好ましい。Ｒ面５３の付近の放電の頻度が高まりチップ５１の熱応力が局所的に大きくなっても、厚い溶融部３５によって熱応力が緩和されるからである。

１０ スパークプラグ
１５ 中心電極
２０ 主体金具
３０，５０ 接地電極
３１ 母材
３２ 母材の一端部
３３ 母材の他端部
３４，５１ チップ
３５ 溶融部
３６，５２ 放電面
３７ 火花ギャップ
４０ 母材の端面
４６，４７，５５，５６ Ｃ面
４８，４９，５３，５４ Ｒ面

Claims (3)

1. 中心電極と、
   前記中心電極を絶縁保持する主体金具と、
   前記主体金具に一端部が接続された母材と、前記母材の他端部に接合されたチップと、を備える接地電極と、を備え、
   前記チップは、前記中心電極と火花ギャップを介して対向する放電面を備えるスパークプラグであって、
   前記放電面は四角形状であって４辺には面取りが施されており、前記４辺のうち相対する２辺にはＣ面が形成され、前記４辺のうち相対する他の２辺にはＲ面が形成されたスパークプラグ。
2. 前記チップは、溶融部を介して前記母材に接合され、
   前記溶融部は、前記他端部の端面と同じ方向を向く前記チップの側面から前記チップの反対側の側面へ向かって設けられ、
   前記放電面に垂直な方向の前記溶融部の厚さは、前記放電面に沿って前記端面から離れるにつれて薄くなり、
   前記放電面の２つの前記Ｃ面の大きさは異なり、小さい方のＣ面が、前記端面の側に配置されている請求項１記載のスパークプラグ。
3. 前記チップは、溶融部を介して前記母材に接合され、
   前記溶融部は、前記他端部の端面と同じ方向を向く前記チップの側面から前記チップの反対側の側面へ向かって設けられ、
   前記放電面に垂直な方向の前記溶融部の厚さは、前記放電面に沿って前記端面から離れるにつれて薄くなり、
   前記放電面の２つの前記Ｒ面は、片方のＲ面が、前記端面の側に配置されている請求項１記載のスパークプラグ。

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