JPH03225783A - 内燃機関用スパークプラグ及びその製造方法 - Google Patents

内燃機関用スパークプラグ及びその製造方法

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JPH03225783A
JPH03225783A JP14799790A JP14799790A JPH03225783A JP H03225783 A JPH03225783 A JP H03225783A JP 14799790 A JP14799790 A JP 14799790A JP 14799790 A JP14799790 A JP 14799790A JP H03225783 A JPH03225783 A JP H03225783A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、自動車等の内燃機関に用いられるスパーク
プラグに関するものである。
〔従来の技術〕
近年、自動車用ガソリンエンジンは増々高圧縮比化、リ
ーン化が図られている。このためスパークプラグの要求
電圧は増大の一途にある。この対応とし、コイルの発生
電圧の増加を図る方法と、スパークプラグの要求電圧を
減少させる方法とがある。前者の方法の場合、点火系が
高電圧化してくるため、ディストリビュータ、高圧コー
ド、コイル等の耐絶縁性を高める必要があり、システム
の信頼性を低下させ、優れた解決法といえない。
又、後者の方法は要求電圧自体を低減させるため現状品
を変更することなく活用でき優れた方法である。このた
めスパークプラグの要求電圧を低減させるための種々の
構造が提案されてきた。
例えば、特公昭59−33949号公報では、第29図
及び第30図に示すように、接地電極lに対向する中心
電極2の先端部に十字溝3を配設した構造とし、その溝
幅を0. 31m+以上で、かつ中心電極2の直径の4
0%以下の寸法に規定している。このように中心電極2
を4分割すると、あたかも中心電極2が細径化された構
成となり、かつ、分割された断面積は小となり表面積/
体積は大となり温度が上りやすい構成となり、要求電圧
の低減を図ることができるものである。
又、実開昭50−60445号公報には、第31図に示
すように、中心電極2の放電部が逆円錐状となったプラ
グが示されている。このプラグは放電により火花ギャッ
プが広がり要求電圧が上昇傾向となるか、一方、逆円錐
状のため電極径が細くなり要求電圧が低減傾向となる。
このバランスにより火花ギャップが増大しても要求電圧
を増大させないようにしたものである。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところが、前記特公昭59−33949号公報に示す方
法では、最近の長寿命化の観点からみると溝を切った分
、断面積が減少し耐消耗性が劣化する。もしくは、溝の
分、断面積を確保しようとすると電極径を大きくする必
要があり電圧低減効果が減殺される。又、放電は中心電
極2と接地電極1との最短部のみならず距離の長い側面
からも飛火していることから、側面がストレートの場合
、距離の長い側面からも放電し、要求電圧が高くなる場
合が生ずるという欠点がある。
又、実開昭50−60445号公報による中心電極が逆
円錐状のプラグを採用すると、この逆円錐形でギャップ
が太き(なることと径小効果との所定のバランスを保と
うとすると、該公報に記載されているように、0.3印
火花ギヤツプが拡がると放電電圧は2KV増加し、これ
に見合うためには径をφ2,5amからφ2Mに減径さ
せる必要がある。この関係を第32図に示す。その結果
、円錐の角度は99°となり相当急な減径構造となるこ
とが分かった。よって、減径の程度が大きいため消耗が
早い欠点があり、実用性に乏しいものとなる。
この発明の目的は、電極の消耗を抑制しつつ要求電圧の
低減を図ることができるスパークプラグ及びその製造方
法を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
第1の発明は、中心電極の軸線上に接地電極が対向し火
花ギャップを形成する内燃機関用スパークプラグにおい
て、 前記中心電極の先端部に前記接地電極に接近するほど径
大なるテーパ状部を形成するとともに、このテーパ状部
の先端面に開口する凹部を形成して該テーパ状部が軸線
方向で等断面積を有するようにした内燃機関用スパーク
プラグをその要旨上する。
第2の発明は、中心電極の軸線上に接地電極が対向し火
花ギャップを形成する内燃機関用スパークプラグにおい
て、 柱状をなす中心電極の先端面に所定の深さの切り込みを
形成した後、当該切り込みに拡大部材を圧入して切り込
みを押し広げ、中心電極の先端部を前記接地電極に接近
するほど径大なるテーパ状に形成した内燃機関用スパー
クプラグの製造方法をその要旨とする。
第3の発明は、第1の発明において、中心電極の先端面
の径を、対向する接地電極の幅より大きくした内燃機関
用スパークプラグをその要旨とする。
第4の発明は、第1の発明において、中心電極の軸線と
、対向する接地電極の中心とをズラした内燃機関用スパ
ークプラグをその要旨とする。
第5の発明は、第1の発明において、中心電極と対向す
る接地電極に、貴金属を接合してその表面に突起部を形
成した内燃機関用スパークプラグをその要旨とする。
第6の発明は、第1の発明において、中心電極と対向す
る接地電極に、一条溝を形成した内燃機関用スパークプ
ラグをその要旨とする。
〔作用〕
第1の発明は、放電は中心電極のエツジ部に集中し、テ
ーパ状部の底面部及び凹部によるエツジから軸線方向に
消耗されていくが、テーパ状部の側面における放電経路
長さが長い放電は抑制され、要求電圧は抑制される。又
、軸線方向での電極消耗の際に等断面積となっているの
でその進行が遅くなる。
第2の発明は、柱状をなす中心電極の先端面に所定の深
さの切り込みが形成された後、当該切り込みに拡大部材
が圧入されて切り込みが押し広げられ、中心電極の先端
部が接地電極に接近するほど径大なるテーパ状に形成さ
れる。その結果、第1の発明のスパークプラグが製造さ
れる。
第3〜6の発明は、第1の発明の作用に加え、火炎核成
長空間が広くなり、着火性が向上する。
〔第1実施例〕 以下、この発明を自動車用エンジンに使用されるスパー
クプラグに具体化した一実施例を図面に従って説明する
第3図には実施例のスパークプラグの全体を示す。中心
電極IOは耐熱性、耐蝕性及び導電性のある、例えばN
i−Cu等からなり、中心電極10の放電部となる先端
部分は絶縁碍子11に保持されている。又、絶縁碍子1
1の軸穴11aの上部には炭素鋼からなる中軸12が挿
通されており、中軸12の頭部には黄銅等からなる端子
13がねじ込み固定されている。円筒状のハウジング1
4は耐熱性、耐蝕性及び導電性のある金属よりなり、ハ
ウジング14の内側にはリング状の気密パツキン15及
びかしめリング16を介して絶縁碍子11が固定されて
いる。
又、ハウジング14はエンジンブロックに固定するため
のねじ部14aを備えている。ハウジング14の下端面
には接地電極17が溶接により固定され、この接地電極
17は耐熱性、耐蝕性及び導電性のある金属からなって
いる。
さらに、絶縁碍子11の軸穴11a内には導電性グラス
シール層18が封入され、シール層18は銅粉末と低融
点ガラスから構成され、このシール層18で中軸12と
中心電極lOとが電気的に接続されるとともに両者が絶
縁碍子11の軸穴11aに固定されている。
第1図には本スパークプラグの中心電極10の先端部を
示し、中心電極10の先端部分は絶縁碍子11から突出
するとともに縮径化され、その端部には白金合金からな
る貴金属チップ19が溶接されている。この貴金属チッ
プ19は第2図に示すように、接地電極17に接近する
ほど径大なるテーパ状をなし、このテーパ状部は凹部と
しての十字溝20により複数に分割され、かつ、軸線方
向で等断面積を有するようになっている。
第4図(a)〜第4図(e)には中心電極10の貴金属
チップ19の製造方法を示す。まず、第4図(a)に示
す円柱状の貴金属チップ19に対し、第4図(b)に示
すように、窒化ボロン(BN)よりなるカッタ(回転円
盤)を用いて貴金属チップ19の先端面に溝幅が0.1
胴前後の十字の切り込み21を所定の深さ形成する。そ
して、第4図(c)に示すように、十字よりなり、かつ
、その先端部がクサビ状の拡大部材としての割り型22
を用意し、その割り型22を貴金属チップ19の切り込
み21の上方位置において合致させる。
その後、第4図(d)に示すように、割り型22を貴金
属チップI9の切り込み21内に圧入し、切り込み21
を押し広げる。その後、割り型22を取り外すと、第4
図(e)に示すように、貴金属チップ19が逆円錐状に
形成されるとともに十字溝20が形成される。
又、次のような飛火試験を行い、飛火状況を観察した。
即ち、第5図に示す本実施例のスパークプラグと、第6
図に示す円柱状の貴金属チップ23を使用したスパーク
プラグとで飛火状況を調べた。その結果、放電は、貴金
属チップ19.23の端面から軸線方向に飛火する経路
a、貴金属チップ19.23の先端のエツジ部から斜め
方向に飛火する経路すが形成されるばかりでなく、貴金
属チップ19.23の周方向の側面にも飛火経路Cが形
成され、第6図に示す従来でのプラグでの飛火経路Cに
対し第5図に示す本実施例でのプラグでの飛火経路Cの
方が短くなることが分かった。
この放電長が短いということは要求電圧を低くすること
ができることを意味している。
次に、第7図、第8図、第9図に示す3種類のスパーク
プラグを用意した。即ち、第7図に示すように、円柱状
の貴金属チップ24で、かつ、十字溝25を有するプラ
グ(以下、十字溝タイプと呼ぶ)と、第8図に示すよう
に、先端部に所定の厚さtの円柱部を有し、かつ、その
基部側が逆テーパ(逆円錐)となっている貴金属チップ
26を備えたプラグ(以下、逆テーパタイプと呼ぶ)と
、第9図に示すように、本実施例と同様の貴金属チップ
19を備えたプラグ(以下、クラウンタイプと呼ぶ)と
である。又、十字溝タイプの中心電極外径、クラウンタ
イプのプレス加工前の外径、逆テーパタイプの外径は同
一寸法D(φ1.5mm)とした。又、貴金属チップは
白金合金を使用した。
そして、この3種類のプラグを用いて、火花ギャップと
要求電圧との関係を実験にて求めた。その結果を第10
図に示す。この第10図において、横軸に火花ギャップ
をとり、縦軸に要求電圧をとった。尚、要求電圧はバラ
ツキがあるので、最大値(max値)を採用した。
第1θ図から分かるように、火花ギャップの拡大に伴っ
て要求電圧は低い方からクラウンタイプ、十字溝タイプ
、逆テーパタイプの順となった。これは、十字溝による
電極径分割細化、断面小による温度上昇、エツジ部の延
設の効果により低電圧化が図られ、さらに、逆テーパ形
状による放電長の短化よる効果が重畳されたものと考え
られる。
又、第1O図では横軸を火花ギャップとしたがスパーク
プラグを実際に使う場合には実走における走行距離に対
する火花ギャップの増加量は最終的に要求電圧を決定す
るための非常に大きな要因であるので、このための実験
を行った。この結果を第11図に示し、横軸を走行距離
を、縦軸に火花ギャップをとった。この第11図から分
かるように、消耗の小さい方から並べると逆テーパタイ
プ、クラウンタイプ、十字溝タイプの順となる。
これは、第7図に示すように、十字溝タイプは十字溝2
5が0.3mm以上の溝幅があるため最も有効断面積が
小さく消耗も大きく、又、クラウンタイプは0.3M以
下の切り込みを拡げるため十字溝タイプより有効断面積
が大きく消耗は少ない。
又、クラウンタイプの場合、逆テーパタイプとほぼ同じ
断面積となっているので、火花ギャップの増加量は近い
値となる。
さらに、第10図、第11図の関係から走行距離と要求
電圧の関係を求めると第12図となる。
この第12図から、クラウンタイプが最も要求電圧が低
く、最も優れていることが分かる。
さらに、逆テーパタイプ、クラウンタイプ、十字溝タイ
プの各プラグにおける消炎効果を実験により調べた。そ
の結果を第13図に示し、横軸に火花ギャップをとり、
縦軸に限界空燃比をとった。
そして、同図から明らかなように、クラウンタイプは放
電部が大幅に広がっているため火焔核が成長し易く、十
字溝タイプより優れた着火性が得られた。
このように本実施例では、中心電極10の先端部(貴金
属チップ19)を接地電極17に接近するほど径大なる
テーパ状部を形成するとともに、このテーパ状部の先端
面に開口する十字溝20(凹部)を形成してテーパ状部
が軸線方向で等断面積を有するようにした。その結果、
放電は中心電極10のエツジ部に集中し、テーパ状部の
底面部及び十字溝20によるエツジから軸線方向に消耗
されていくが、テーパ状部の側面における放電経路長さ
が長い放電は抑制され、要求電圧は抑制される。又、軸
線方向での電極消耗の際に等断面積となっているのでそ
の進行が遅くなる。よって、電極の消耗を抑制しつつ要
求電圧の低減を図ることができることとなる。
又、第4図(a)〜(e)に示すように、柱状をなす中
心電極10(貴金属チップ19)の先端面に所定の深さ
の切り込み21を形成した後、切り込み21に割り型2
2(拡大部材)を圧入して切り込み21を押し広げ、中
心電極10(貴金属チップ19)の先端部を接地電極1
7に接近するほど径大なるテーパ状に形成した。その結
果、容易に上述したスパークプラグを製造することがで
きる。
この第1実施例の応用としては、上述したスパークプラ
グでは中心電極10の先端の貴金属チップ19に十字溝
20を形成したが、第14図に示すように、−条の切り
込み27aを形成し、その後、第15図に示すように、
この切り込み27aを広げて溝27bを形成してもよい
。又、第16図に示すように、中心で交わる3本の切り
込み28aを形成し、その後、第17図に示すように、
その切り込み28aを広げて溝28bを形成してもよい
。又、凹部としての溝(十字溝20)は、上記実施例で
は貴金属チップ19を分割するように形成したが、必ず
しも分割する(貴金属チップ19の側面に至る溝とする
)必要はなく、接地電極17と対向する端面にのみ開口
する凹部としてもよい。
さらに、中心電極の先端の径を広げる際において、第1
8図(a)〜(C)に示すようにしてもよい。即ち、十
字の切り込み29を形成するとともにその切り込み29
の交点に穴30を形成し、第18図(b)に示すように
、円柱で、かつ、先端が尖った拡大部材としての割り型
31を穴30に圧入して切り込み29を押し広げ、第1
8図(c)に示すように、溝33を形成し中心電極32
の先端の径を広げるようにしてもよい。
さらには、上述した実施例では貴金属チップを設けたプ
ラグに具体化したが、ニッケル基をベースとし、例えば
、中心電極の先端径がφ2. 5mmのスパークプラグ
に具体化してもよい。又、接地電極17側は貴金属の有
無は問わないが好ましくは中心電極の放電部最外径に対
応する径の貴金属が接合された構造が電極消耗の観点か
ら好ましい。
〔第2実施例〕 次に、第2実施例を説明する。
本実施例は、上記第1実施例に対し、電極の消耗を抑制
しつつ要求電圧の低減を図ることに加え、さらに、着火
性の向上を狙ったものであり、接地電極側にも改良を加
えている。
つまり、第3図におけるA方向からスパークプラグの先
端部を見た場合において、第19図に示す従来のスパー
クプラグ(円柱形状の中心電極34を有する)に対し、
第20図〜第22図に示すようにしたものである。第2
0図に示すプラグは、中心電極35の先端面の径DIが
、対向する接地電極36の幅W1より大きくなっている
。又、第21図に示すプラグは、中心電極37の軸線L
1と、対向する接地電極38の中心L2とを距離δだけ
ズラしている。又、第22図に示すプラグは、中心電極
39と対向する接地電極40の表面に、突起部としての
貴金属41を接合している。さらに、第23図に示すプ
ラグは、中心電極42と対向する接地電極43に、一条
溝44を形成したものである。
ここで、スパークプラグの着火性能は、火花ギャップの
放電で形成される火炎核の成長に左右される。火炎核の
成長が不安定な領域は、アイドリングのような軽負荷で
あり、燃焼温度が低いため火花ギャップを形作る中心電
極、接地電極温度も低く消炎作用を受ける。そして、大
きな消炎作用を受けた場合、火炎核は消失したり成長が
遅れてエンジンの燃焼が不安定となる不具合が起こる。
又、火炎核は火花ギャップで形成され、混合気の流れる
沿って成長するためスパークプラグのねじ込みによる取
付は位置で中心電極、接地電極の消炎作用を受は着火性
が悪化する方向が存在する。
第24図には接地電極と混合気の流れ方向が着火性に及
ぼす影響を調査した結果で、一般のスパークプラクでギ
ャップ0.8mm設定にて評価した。
この際、1600ccの4サイクルガソリンエンジンで
アイドル600 rpm、BTDC17゜空燃比14設
定にて運転して0.2秒毎3分間回転変動を測定し回転
変動のバラツキ/平均回転数の比である不安定率を測定
した。混合気の流れが接地電極に遮蔽される取り付は方
向では、着火性の悪化が見られる。これは、第25図(
a)。
(b)に示すように、火炎核成長の過程で火花ギャップ
間に押し込められ電極の消炎作用を大きく受けるためと
推定される。
一方、特開昭55−19768号公報では接地電極に沿
った突起を中心電極先端面に設けて突起により形成され
る端面エツジ部に飛火箇所を固定するとともに、突起に
より形成される火炎核成長空間の拡大を活用している。
しかし、火炎核は火花ギャップでの混合気の流れに沿っ
て成長するため、第25図(a)、(b)に示すように
、接地電極に沿った混合気の流れのもとでは中心電極。
接地電極の消炎作用を受は着火性向上効果が発揮されに
くい。
第26図〜第28図は1600cc4サイクルガソリン
エンジンでアイドル600rpm、BTDC17°の条
件で不安定率が2%及び2.5%となる空燃比を求めた
ものである。尚、この際、混合気の流れが接地電極に遮
蔽される取り付は方向とした。評価プラグは、φ2.5
mmの外径を有する中心電極を備えたものであり、次の
ものを使用した。第26図での(g)は第19図に示す
従来の一般プラグ、(h)は第20図に対応するもので
あり、中心電極先端面に深さ1.0mm、幅0゜15m
mの溝を形成し溝幅を0,5閣に拡大したプラグ、(i
)は第23図に対応するものであり、(h)のプラグに
対し接地電極に一条溝を設けたプラグ、(j)は中心電
極先端面に深さ0.5mm。
幅1.0+nmの溝を形成したプラグ(特開昭55−1
9768号公報)、(k)は中心電極先端面に深さ1.
omm、幅0.3mmの溝を形成したプラグ(特公昭5
9−33946号公報)である。
又、第27図における、(A)は第21図に対応するも
のであり、中心電極先端面に深さ1.0閣9幅0.15
mmの溝を形成し溝幅を0.5mmに拡大し、さらに、
接地電極の中心を中心電極の軸線に対し0.3mmズラ
して配置したプラグ、(m)は第26図の(h)のプラ
グでの中心電極の先端部をさらに広げたものであり、中
心電極先端に深さ1.0mm、幅0.15mmの溝を形
成し溝幅を1゜0 mmに拡大したプラグである。
さらに、第28図における、(n)はφ1. 1順の外
径を有する中心電極を備えた従来の白金プラグ、(0)
は第22図に対応するものであり、φ1.3mmの外径
の白金チップを備えた中心電極に深さ0.6mm、幅0
.2mmの溝を形成し溝幅を0.5mmに拡大し、さら
に、接地電極での対向面にφ1. 8mmの白金合金チ
ップを溶接して接地電極面より0.1mmの突起がある
形状としたプラグで、火花ギャップ0.8日としている
この第26〜28図から明らかなように、第26図での
(g)、(D、(k)に示す従来品に対し2%及び2.
5%の不安定率とも空燃比がリーン側にシフトしており
着火性の向上が確認できた。これは、混合気の流れに影
響されない火炎核成長空間が確保されるためである。
このように、スパークプラグの耐久性を劣化させること
なく飛火電圧の低減により高圧縮化が可能であり、アイ
ドリンクのような低回転領域においてもプラグ取り付は
位置方向に影響されず安定な燃焼が確保でき、かつ、希
薄な混合気でエンジンを運転可能となる。
〔発明の効果〕
以上詳述したようにこの発明によれば、電極の消耗を抑
制しつつ要求電圧の低減を図ることができるスパークプ
ラグ及びその製造方法を提供することができる優れた効
果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
第1図〜第18図は第1実施例を説明するための図であ
り、第1図は内燃機関用スパークプラグの放電部を示す
図、第2図はスパークプラグの中心電極の先端部の斜視
図、第3図はスパークプラグの全体図、第4図(a)〜
(e)は中心電極の製造工程を示す図、第5図は飛火試
験を示す図、第6図は飛火試験を示す図、第7図は実験
に用いたスパークプラグの中心電極を示す図、第8図は
実験に用いたスパークプラグの中心電極を示す図、第9
図は実験に用いたスパークプラグの中心電極を示す図、
第1O図は各プラグ毎の火花キャップの増加量と要求電
圧との関係を示す図、第11図は各プラグ毎の走行距離
と火花キャップの増加量との関係を示す図、第12図は
各プラグ毎の走行距離と要求電圧との関係を示す図、第
13図は各プラグ毎の火花ギャップと限界空燃比との関
係を示す図、第14図は別例のスパークプラグの中心電
極を示す図、第15図は別例のスパークプラグの中心電
極を示す図、第16図は他の別例のスパークプラグの中
心電極を示す図、第17図は他の別例のスパークプラグ
の中心電極を示す図、第18図(a)〜(C)は別例の
中心電極の製造工程を示す図、第19図〜第28図は第
2実施例を説明するための図であり、第19図〜第23
図はスパークプラグの先端部を示す図、第24図はスパ
ークプラグの取付は位置方向の着火性への影響を示す図
、第25図(a)、(b)は混合気の流れと火炎核成長
を示す図、第26図〜第28図はアイドル不安定率を空
燃比で比較した図、第29図は従来技術を説明するため
のスパークプラグの放電部を示す図、第30図は同じ〈
従来技術を説明するためのスパークプラグの放電部を示
す図、第31図は従来技術を説明するためのスパークプ
ラグの放電部を示す図、第32図は従来技術を説明する
ためのスパークプラグの中心電極の形状を示すための図
である。 lOは中心電極、17は接地電極、19は貴金属チップ
、20は凹部としての十字溝、21は切り込み、22は
拡大部材としての割り型、35は中心電極、36は接地
電極、37は中心電極、38は接地電極、39は中心電
極、40は接地電極、41は貴金属、42は中心電極、
43は接地電極、44は一条溝。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、中心電極の軸線上に接地電極が対向し火花ギャップ
    を形成する内燃機関用スパークプラグにおいて、 前記中心電極の先端部に前記接地電極に接近するほど径
    大なるテーパ状部を形成するとともに、このテーパ状部
    の先端面に開口する凹部を形成して該テーパ状部が軸線
    方向で等断面積を有するようにしたことを特徴とする内
    燃機関用スパークプラグ。 2、中心電極の軸線上に接地電極が対向し火花ギャップ
    を形成する内燃機関用スパークプラグにおいて、 柱状をなす中心電極の先端面に所定の深さの切り込みを
    形成した後、当該切り込みに拡大部材を圧入して切り込
    みを押し広げ、中心電極の先端部を前記接地電極に接近
    するほど径大なるテーパ状に形成したことを特徴とする
    内燃機関用スパークプラグの製造方法。 3、中心電極の先端面の径を、対向する接地電極の幅よ
    り大きくしたことを特徴とする請求項1に記載の内燃機
    関用スパークプラグ。 4、中心電極の軸線と、対向する接地電極の中心とをズ
    ラしたことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関用ス
    パークプラグ。 5、中心電極と対向する接地電極に、貴金属を接合して
    その表面に突起部を形成したことを特徴とする請求項1
    に記載の内燃機関用スパークプラグ。 6、中心電極と対向する接地電極に、一条溝を形成した
    ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関用スパーク
    プラグ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5502994A (en) * 1993-03-18 1996-04-02 Nippondenso Co., Ltd. Method for producing a metal tip
US5563469A (en) * 1989-12-27 1996-10-08 Nippondenso Co., Ltd. Spark plug for internal combustion engine
JP2012219627A (ja) * 2011-04-04 2012-11-12 Toyota Motor Corp 内燃機関の制御装置

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