JPH06333664A - 内燃機関用スパークプラグ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 絶縁碍子の耐プレイグニッション性や耐汚損
性を低下させることなく、絶縁碍子の耐電圧性能を向上
して貫通火花の発生を防止することを可能にする。 【構成】 主体金具の発火部側の内径をＡ、主体金具の
ネジ部のネジ径をＤとしたとき、主体金具の発火部側の
内径Ａが０．７４×Ｄ（mm） −１．３（mm）より大き
くなるように形成することによって、主体金具の発火部
側の内径を広げてネジ部の肉厚を薄くするようにする。
これにより、絶縁碍子の形状寸法や中心電極の形状寸法
を変更することなしに、絶縁碍子の耐電圧性能を向上す
ることによって、絶縁碍子や中心電極の熱引きの低下を
防止するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車や航空機等に搭
載される内燃機関に取り付けるための主体金具の発火部
側の内径を広げることにより絶縁碍子の耐電圧性能を改
善した内燃機関用スパークプラグに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ガソリンエンジン用スパーク
プラグは、内孔内に中心電極を保持した絶縁碍子を、発
火部側の外周にガソリンエンジンに取り付けるためのネ
ジ部が形成された主体金具により支持した技術が一般的
である。なお、主体金具の先端には、中心電極の先端面
との間で火花放電ギャップを形成する外側電極が溶接さ
れている。ここで、自動車用のイグニッションシステム
はガソリンエンジンの改良に伴って徐々に高電圧化が進
んでいる。また、多弁化等によりシリンダヘッドは過密
になり、小径のスパークプラグの要求も高まってきてい
る。その中で、特に高い耐電圧性能が必要なガソリンエ
ンジンには、従来のスパークプラグでは対応できない場
合も現れてきた。なお、スパークプラグの絶縁碍子の高
電圧による耐電圧性能は、絶縁碍子の肉厚と相関がある
ことが確認されており、耐電圧性能の不足により生じる
火花貫通は主に肉厚の薄い発火部で発生することも知ら
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来のスパ
ークプラグにおいては、絶縁碍子の径寸法を変えて所望
の肉厚を確保することは他の性能に悪影響を及ぼすので
限界があった。例えば、絶縁碍子の外径を大きくすれば
ガスボリューム（絶縁碍子の発火部側外周と主体金具の
発火部側内周との間の空間）が小さくなり、耐プレイグ
ニッション性が低下し、耐汚損性も悪くなるという不具
合がある。また、絶縁碍子の内孔径を小さくすれば、中
心電極内の熱引きが悪くなり、これも耐プレイグニッシ
ョン性が低下するという不具合がある。

【０００４】そして、発火部の絶縁碍子の外径は、最大
でも主体金具の絶縁碍子受け部の内径（最小径）より大
きくはならず、主体金具のネジ部のネジ径が小さいタイ
プのスパークプラグ程耐電圧性能が劣っていた。なお、
主体金具の内径を広げると、内径加工をしてからネジ転
造する従来の工程ではネジ部の肉厚が薄くなってしま
う。このように、ネジ部の肉厚が薄くなってしまうと、
スパークプラグがガソリンエンジンのシリンダヘッドに
咬んで戻しトルクが大きくなったときネジ切れが発生す
る可能性が大きくなるという問題点があった。また、ネ
ジ部の肉厚が薄くなってしまうと、外側電極の溶接代が
小さくなるため、使用可能な外側電極のサイズが肉厚の
薄いものに限定され、剛性も低下するので折損や焼損等
の不具合が発生する可能性も大きくなるという問題点が
あった。

【０００５】請求項１の発明ないし請求項５の発明は、
絶縁碍子の耐プレイグニッション性や耐汚損性を低下さ
せることなく、絶縁碍子の耐電圧性能を向上して貫通火
花の発生を防止することが可能な内燃機関用スパークプ
ラグの提供を目的とする。また、請求項２の発明ないし
請求項４の発明は、仮に主体金具のネジ部の肉厚を薄く
した場合でも主体金具の強度や外側電極の剛性の低下を
防止することが可能な内燃機関用スパークプラグの提供
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、軸方
向に内孔を有する筒状の絶縁碍子と、前記内孔内に嵌め
込まれて前記絶縁碍子に保持された中心電極と、この中
心電極の先端との間に火花放電ギャップを形成する外側
電極と、この外側電極を保持すると共に、前記絶縁碍子
の外周に固定された筒状の主体金具とを備え、前記主体
金具の発火部側の外周には、内燃機関に取り付けるため
のネジ部が形成されている内燃機関用スパークプラグで
あって、前記主体金具の発火部側の内径をＡ、前記主体
金具のネジ部のネジ径（呼び寸）をＤとしたとき、Ａ
（mm）＞０．７４×Ｄ（mm）−１．３（mm）の関係を満
足している技術手段を採用した。

【０００７】請求項２の発明は、請求項１に記載の内燃
機関用スパークプラグにおいて、前記主体金具は、引張
り強度が５００ＭＰａ以上の金属材料を用いてなること
を特徴とするものである。

【０００８】請求項３の発明は、請求項１または請求項
２のいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグにおい
て、前記外側電極は、引張り強度が５００ＭＰａ以上の
金属材料を用いてなることを特徴とするものである。

【０００９】請求項４の発明は、請求項１ないし請求項
３のうちのいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグ
において、前記主体金具は、前記外側電極を溶接により
接合する円弧状の接合部を有し、前記外側電極は、前記
接合部の形状に沿って内外ともに湾曲した形状の被接合
部を有することを特徴とするものである。

【００１０】請求項５の発明は、請求項１ないし請求項
４のうちのいずれかに記載の内燃機関用スパークプラグ
において、前記絶縁碍子のうち少なくとも発火部側は、
窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス焼結体よ
りなることを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】請求項１の発明によれば、主体金具の発火部側
の内径をＡ、主体金具のネジ部のネジ径をＤとしたとき
の数１式は、主体金具のネジ部のネジ径のタイプの実績
のある寸法を含まない範囲を一次不等式で近似したもの
である。

【数１】Ａ（mm）＞０．７４×Ｄ（mm）−１．３（mm） これにより、絶縁碍子の外径や、中心電極の外径（絶縁
碍子の内径）を変えることなく、絶縁碍子の耐電圧性能
を向上して貫通火花の発生を防止することが可能になる
ので、絶縁碍子や中心電極の熱引きが良好となり、耐プ
レイグニッション性や耐汚損性を低下させることはな
い。

【００１２】請求項２の発明によれば、主体金具の引張
り強度が５００ＭＰａ以上になる金属材料を用いている
ので、主体金具の内径を広げてもネジ転造時の変形を抑
えられるので、従来の工程のように主体金具の内径加工
をしてからネジ転造が行える。また、主体金具のネジ部
の肉厚が薄くなっても、スパークプラグが内燃機関に咬
んで戻しトルクが大きくなったときネジ切れの不具合が
発生しない。

【００１３】請求項３の発明によれば、外側電極の引張
り強度が５００ＭＰａ以上になる金属材料を用いている
ので、主体金具のネジ部の肉厚が薄くなり、外側電極の
溶接代が狭くなって、外側電極の肉厚が薄いサイズのも
に限定されても、外側電極の剛性が低下しないので、折
損や焼損等の不具合が発生しない。

【００１４】請求項４の発明によれば、外側電極の被接
合部が主体金具の接合部の形状に沿って内外ともに湾曲
した形状に形成されているので、主体金具のネジ部の肉
厚が薄くなり、外側電極の溶接代が狭くなって、外側電
極の肉厚が薄いサイズのもに限定されても、外側電極の
剛性が低下しないので、折損や焼損等の不具合が発生し
ない。

【００１５】請求項５の発明によれば、熱引きは優れて
いるが、耐電圧性能に劣る窒化アルミニウムを主成分と
するセラミックス焼結体を、絶縁碍子のうち少なくとも
発火部側に設けているので、窒化アルミニウムを主成分
とするセラミックス焼結体の耐電圧性能が向上する。

【００１６】

【実施例】

〔実施例の構成〕本発明の内燃機関用スパークプラグを
図に示す実施例に基づき説明する。図１は自動車に搭載
されるガソリンエンジン用のスパークプラグを示した図
である。スパークプラグ１は、筒状の絶縁碍子２、この
絶縁碍子２に保持された中心電極３、この中心電極の先
端面との間に火花放電ギャップＧを形成する外側電極
４、およびこの外側電極４を保持する筒状の主体金具５
等を備えている。

【００１７】絶縁碍子２は、窒化アルミニウム質焼結体
または酸化アルミニウム（アルミナ）質焼結体等のセラ
ミックス焼結体より成形されている。この絶縁碍子２の
内部には、先端面および後端面で開口している軸方向の
内孔６が形成されている。この絶縁碍子２のうち発火部
７側の内孔６には中心電極３が嵌め込まれており、コル
ゲーション部８側の内孔６には端子電極９、抵抗体１
０、導電性ガラス層１１が収められている。また、絶縁
碍子２の中胴部１２は、主体金具５に係止されている。

【００１８】中心電極３は、先端面が内孔６より突出し
た状態で内孔６内に嵌め込まれることによって絶縁碍子
２に保持されている。外側電極４は、ニッケル、クロム
合金やニッケル、マンガン、シリコン合金等の耐熱性耐
食金属が使用されている。この外側電極４は、略Ｌ字状
に形成され、中心電極３の先端面に対向配置され、主体
金具５の先端面に溶接により接合されている。

【００１９】主体金具５は、低炭素鋼等の切削加工容易
な導電金属が使用されている。この主体金具５は、絶縁
碍子２の外周に嵌め合わされて、後端側のかしめ部１３
をかしめることにより絶縁碍子２を支持している。この
主体金具５の発火部７側の外周には、ガソリンエンジン
のシリンダヘッドに取り付けるためのネジ部１４が形成
されている。このネジ部１４のネジ径は、例えば１０m
m、１２mm、１４mmが用いられている。

【００２０】そして、主体金具５の後端側の外周には、
締付け用レンチ等の工具をかけるための六角部１５が形
成されている。また、ネジ部１４と六角部１５との間に
は円筒状の胴部１６が形成されている。ネジ部１４の上
部の内周には、絶縁碍子２の中胴部１２をパッキン１７
を介して係止する内周突条部（主体金具５の最小内径
部）１８が形成されている。なお、この実施例では、主
体金具５の内径１９は、ネジ部１４のネジ転造後に切削
加工により形成されている。

【００２１】次に、図２は自動車に搭載されるガソリン
エンジン用のスパークプラグを示した図である。このス
パークプラグ１は、発火部７を構成する窒化アルミニウ
ム質焼結体２１、およびこの窒化アルミニウム質焼結体
２１の後端側に凸凹嵌合され、コルゲーション部８を構
成する酸化アルミニウム（アルミナ）質焼結体２２より
なる分割型絶縁碍子２３を設けている。

【００２２】次に、図３は主体金具の内径が狭い（肉厚
が厚い）場合の外側電極の形状を示した図である。 内
径が狭い主体金具５の場合には、肉厚の大きい外側電極
４を溶接により接合する方形状の接合部２４または円弧
状の接合部２５が設けられている。外側電極４の主体金
具５側には、方形状の接合部２４の形状に合った方形状
の被接合部２６、あるいは円弧状の接合部２５の形状に
沿って内外ともに湾曲した形状の被接合部２７が設けら
れている。

【００２３】次に、図４は主体金具の内径が広い（肉厚
が薄い）場合の外側電極の形状を示した図である。 内
径が広い主体金具５の場合には、肉厚の小さい外側電極
４を溶接により接合する方形状の接合部２８または円弧
状の接合部２９が設けられている。外側電極４の主体金
具５側には、方形状の接合部２８の形状に合った方形状
の被接合部３０、あるいは円弧状の接合部２９の形状に
沿って内外ともに湾曲した形状の被接合部３１が設けら
れている。

【００２４】〔主体金具内径と絶縁碍子表面の電解強度
の関係〕中心電極（高電圧）３と主体金具（接地）５と
の間にかかった電圧は、絶縁碍子２、２３と空気層（混
合気）に分圧されるが、空気層の方が誘電率が小さい
（約１／１０）ので、電界は空気層の部分に集中し、絶
縁碍子２、２３の表面で不連続な分布になる。つまり、
火花貫通に関与する絶縁碍子２、２３部分の電解強度は
表面で不連続的に最大となり、これを低下することが火
花貫通の耐電圧性能を向上させることになる。

【００２５】そこで、スパークプラグの径方向寸法につ
いて見てみると、中心電極３の外径（絶縁碍子２、２３
の内径）が小さく主体金具５の内径が大きいほど電極間
の距離が広くなり、全体に電解強度は緩和される。絶縁
碍子２、２３の外径は小さいほど表面の電解強度は軽減
されるが、肉厚による影響の方が大きいので通常の場合
は肉厚を増した方が有利になる。したがって、必要なだ
けの肉厚を持ち、耐プレイグニッション性や耐汚損性等
の他の性能に悪影響を及ぼさない中心電極３の外径（中
心電極径）を持った絶縁碍子２、２３の表面の電解強度
を低減させるためには、主体金具５の内径を広げること
が唯一の方法であると言える。

【００２６】〔耐電圧試験と耐プレイグニッション試
験〕図１のようなスパークプラグ（テストサンプル：実
施例１〜実施例８）において発火部の径方向の寸法
（Ａ、Ｂ、Ｃ）を様々に変更したものを試作し、耐電圧
性能および耐プレイグニッション性を次のような方法で
比較評価し、この結果を比較例１〜比較例１２と共に表
１に示した。また、図２のようなスパークプラグ（テス
トサンプル：実施例９〜実施例１２）についても同様に
試験を行い、その結果を比較例１３〜比較例１６と共に
表２に示した。

【００２７】

【表１】

【表２】

【００２８】〔耐電圧試験〕高圧力に耐え得るチャンバ
ー内にスパークプラグ（テストサンプル：実施例１〜実
施例１２および比較例１〜比較例１６）を取り付け、チ
ャンバーに乾燥した空気を導入して５ＭＰａで加圧し
た。但し、テストサンプルの外側電極４は火花が飛ばな
いように取り去った。これらのテストサンプルに電圧が
可変のＣ．Ｄ．Ｉ．電源から直流インパルスの高電圧を
印加し、絶縁碍子２、２３が貫通する電圧を測定した。
電圧の印加は２０ｋＶから始め、１ｋＶ昇圧して１分間
保持するというようにステップ式で変化させた。

【００２９】測定は各実施例１〜１２、比較例１〜比較
例１６につき２０本ずつ行い、その平均を示した。な
お、表１には、現状使用されている比較例１、比較例
５、比較例９、比較例１３および比較例１５より耐電圧
性能の向上したものに＋マークを記し、耐電圧性能の低
下したものに−マークを記した。

【００３０】〔耐プレイグニッション性試験〕耐電圧試
験で性能向上が認められたテストサンプル（実施例１〜
実施例１２および比較例１、比較例３〜比較例５、比較
例７〜比較例９、比較例１１〜比較例１３、比較例１
５）について耐プレイグニッション性のテストを行っ
た。空冷式単気筒４サイクル、１２５ccのガソリンエン
ジンにスパークプラグ（テストサンプル）を取り付け、
９０００rpm ×W.O.T.（フルスロットル）で運転し、点
火時期は２０°クランクアングルから１分間保持して、
２．５クランクアングル進角というように変化させた。

【００３１】この結果、いずれのネジ径のスパークプラ
グにおいても、主体金具５の金具内径（Ａ）が広いもの
ほど、耐電圧性能が向上していることが確認された。こ
のとき、発火部以外で貫通したものもあったが、この場
合は発火部の耐電圧性能が向上し、スパークプラグとし
ての耐電圧性能が発火部の性能に依存しなかったと考え
られる。絶縁碍子２、２３の外径（Ｂ）を大きくしたと
き、中心電極径（Ｃ）を小さくしたときも耐電圧性能は
向上したが、耐プレイグニッション性は劣化の傾向があ
った。

【００３２】〔実機耐久試験〕図３および図４に示した
ように、主体金具５の金具内径（Ａ）、主体金具５の金
具材料強度、外側電極４の形状を様々に設定したスパー
クプラグ（実施例１３〜実施例１８および比較例１７〜
比較例２５）において、実機耐久試験を行った結果を表
３に示す。このとき用いた金具材料はＳ−２５（炭素
鋼）で引抜き加工により所定の強度を確保後切削加工に
より外形を加工し、ネジ転造後、内径加工をした。この
他の材料（例えばＳ１５Ｃ〜Ｓ４５Ｃの炭素鋼）でも、
同様に引抜き加工により強度を確保するかまたは、冷間
鍛造で材料を加工硬化させて成形する等の方法により５
００ＭＰａ以上の引張強度を持たせることができれば使
用が可能である。またこのとき用いた外側電極材料はＩ
ｎｃ６００を引抜き加工により所定の強度を確保して用
いたが、他にも引抜き加工により５００ＭＰａの引張り
強度の得られる材料（例えば９５％Ｎｉ−Ｓｉ、Ｃｒ、
Ｍｎ合金）ならば使用が可能である。ここで、実機耐久
試験は水冷式６気筒４サイクル、２０００ccのガソリン
エンジンにおいて６０００rpm ×W.O.T.（フルスロット
ル）で運転し、２００ｈｒ後のスパークプラグ（実施例
１３〜実施例１８および比較例１７〜比較例２５）の様
子を観察した。但し、他のネジ径についても同じ傾向に
なると推測されるので、ネジ部１４のネジ径Ｍ１４およ
びネジ径Ｍ１２についてのみ実機耐久試験を行った。

【００３３】

【表３】

【００３４】〔実施例と比較例の試験結果について〕実
機耐久試験の結果、ネジ部１４の肉厚が薄く、内径が大
きい主体金具５ほど強度の大きい材質を必要とし、４０
０ＭＰａ以下の材料はスパークプラグを取り外すときに
伸び切れが生じた。また、外側電極４は肉厚が薄いもの
ほど強度の大きい材質を必要とし、さらに小さいサイズ
の外側電極４では内外ともに湾曲した断面形状を採用す
ることで外側電極４の起き上がりが防げた。以上のよう
に、実施例１〜実施例１８においては、主体金具５の内
径や外側電極４の形状あるいは材質を変更することによ
って、従来の技術と比較して、少なくとも１０％の耐電
圧性能の改善を実現することができる。

【００３５】

【発明の効果】請求項１の発明は、耐プレイグニッショ
ン性や耐汚損性を低下させることなく、絶縁碍子の耐電
圧性能を向上して貫通火花の発生を防止することができ
る。請求項２の発明は、主体金具の内径を広くして主体
金具のネジ部の肉厚が薄くなっても、主体金具の内径加
工をしてからネジ転造を行うことができるので、主体金
具の製造機を変更しなくても良い。また、スパークプラ
グが内燃機関に咬んで戻しトルクが大きくなったときネ
ジ切れを防止することができる。

【００３６】請求項３の発明および請求項４の発明は、
主体金具のネジ部の肉厚が薄くなり、外側電極の溶接代
が狭くなって、外側電極の肉厚が薄いサイズのものに限
定されても、外側電極の剛性を保つことができるので、
外側電極の折損や焼損等を防止することができる。請求
項５の発明は、熱引きに優れた窒化アルミニウムを主成
分とするセラミックス焼結体の耐電圧性能の向上を安価
に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガソリンエンジン用のスパークプラグを示した
断面図である。

【図２】ガソリンエンジン用のスパークプラグを示した
断面図である。

【図３】主体金具の内径が狭い場合の外側電極の形状を
示した説明図である。

【図４】主体金具の内径が広い場合の外側電極の形状を
示した説明図である。

【符号の説明】

Ｇ 火花放電ギャップ １ スパークプラグ ２ 絶縁碍子 ３ 中心電極 ４ 外側電極 ５ 主体金具 ６ 内孔 ７ 発火部 ８ コルゲーション部 １２ 中胴部 １４ ネジ部 １５ 六角部 １６ 胴部 ２１ 窒化アルミニウム質焼結体 ２２ アルミナ質焼結体 ２３ 分割型絶縁碍子 ２４ 接合部 ２５ 接合部 ２６ 被接合部 ２７ 被接合部 ２８ 接合部 ２９ 接合部 ３０ 被接合部 ３１ 被接合部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西川 倹一 名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特殊 陶業株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸方向に内孔を有する筒状の絶縁碍子
   と、前記内孔内に嵌め込まれて前記絶縁碍子に保持され
   た中心電極と、この中心電極の先端との間に火花放電ギ
   ャップを形成する外側電極と、この外側電極を保持する
   と共に、前記絶縁碍子の外周に固定された筒状の主体金
   具とを備え、 前記主体金具の発火部側の外周には、内燃機関に取り付
   けるためのネジ部が形成されている内燃機関用スパーク
   プラグであって、 （ａ）前記主体金具の発火部側の内径をＡ、 （ｂ）前記主体金具のネジ部のネジ径をＤとしたとき、 （ｃ）Ａ（mm）＞０．７４×Ｄ（mm）−１．３（mm）の
   関係を満足していることを特徴とする内燃機関用スパー
   クプラグ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の内燃機関用スパークプ
   ラグにおいて、 前記主体金具は、引張り強度が５００ＭＰａ以上の金属
   材料を用いてなることを特徴とする内燃機関用スパーク
   プラグ。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２のいずれかに記
   載の内燃機関用スパークプラグにおいて、 前記外側電極は、引張り強度が５００ＭＰａ以上の金属
   材料を用いてなることを特徴とする内燃機関用スパーク
   プラグ。
4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３のうちのいずれ
   かに記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、 前記主体金具は、前記外側電極を溶接により接合する円
   弧状の接合部を有し、 前記外側電極は、前記接合部の形状に沿って内外ともに
   湾曲した形状の被接合部を有することを特徴とする内燃
   機関用スパークプラグ。
5. 【請求項５】 請求項１ないし請求項４のうちのいずれ
   かに記載の内燃機関用スパークプラグにおいて、 前記絶縁碍子のうち少なくとも発火部側は、窒化アルミ
   ニウムを主成分とするセラミックス焼結体よりなること
   を特徴とする内燃機関用スパークプラグ。