JPWO2010035717A1 - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

絶縁体が割れることを防止しつつ、主体金属と絶縁体との気密性を確保することができるスパークプラグを提供する。主体金具１１には先端部に向けて内径が漸減した棚部３０が形成され、絶縁体１２には先端部に向けて外径が漸減して棚部３０に対向して形成された段部３２が形成され、棚部３０と段部３２との間にパッキン３４が配置されたスパークプラグにおいて、棚部３０と段部３２との間の距離が径方向内側に向かって近づくものであり、棚部３０と段部３２とのなす角度θが１度以上１０度以下であることを特徴とする。

Description

本発明は、内燃機関に使用されるスパークプラグに関する。

内燃機関に使用されるスパークプラグは、中心電極が挿設された絶縁体（絶縁碍子）を保持する主体金具の燃焼室側の先端部に接地電極を溶接して、接地電極の自由端部を中心電極の先端部と対向させて、火花放電間隙を形成している。そして、中心電極と接地電極との間で火花放電が行われ、両電極間に曝された燃料空気に点火することにより、火炎核が形成される。

スパークプラグにおける主体金具と絶縁体との組み付けは、その後端側から先端側に向かって絶縁体の先端部を挿入し、その後端側の開口部を絶縁体側（主体金具の径方向内側）に加締めることによって行われる。そして、主体金具と絶縁体との間の気密性を確保するために、主体金具と絶縁体との間にシール部材として環状の金属製パッキンを装填している（例えば特許文献１参照）。

図８は特許文献１に記載のスパークプラグのシール部を表す。図８に示すように、主体金具２００の内壁には、先端部に向けて内径が漸減して傾斜した棚部２０２が形成され、絶縁体２０４の外壁には、先端部に向けて外径が漸減して傾斜し主体金具２００の棚部２０２に対向した段部２０６が形成されている。そして、棚部２０２と段部２０６との間に、シール部材として鉄製のパッキン２０８が装填されている。

日本国特開２００５−１９０７６２号公報

しかし、主体金具２００に絶縁体２０４を組み付ける際に、気密性を高めるためにパッキン２０８に生ずる残留応力を大きくしようと主体金具２００の後端側開口部を強く加締めると、パッキン２０８が過変形して図９に示すように、主体金具２００の棚部２０２から内側にパッキン２０８の内径部が大きくはみ出してしまい（Ａ部）、はみ出した部分が絶縁体２０４の脚長部２１０を押圧して絞り割れが発生するおそれがある。そして、絶縁体２０４に割れが発生すると、失火（燃焼不能によるエンジン停止）のおそれがある。

また、パッキン２０８の外径部が棚部２０２の後端部から後端側にはみ出る（Ｂ部）昇り量が多くなると、主体金具２００と絶縁体２０４との間にパッキン２０８の外径部分が入り込み、絶縁体２０４に押し割れが発生するおそれがある。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、絶縁体が割れることを防止しつつ、主体金具と絶縁体との気密性を確保することができるスパークプラグを提供することにある。

本発明の前述した目的は、下記構成により達成される。
（１） 筒状の主体金具と、
当該主体金具に嵌め込まれ、当該主体金具の先端部から自身の先端部が露出された筒状の絶縁体と、
当該絶縁体の前記先端部から自身の先端部が露出されるように当該絶縁体内に配置された中心電極と、
前記主体金具に一端部が結合され、且つ他端部が前記中心電極の前記先端部に対向配置され、前記他端部と前記中心電極の前記先端部との間に火花放電ギャップを形成する接地電極と、
前記主体金具と前記絶縁体との間に装着されて前記主体金具と前記絶縁体間を気密にシールするパッキンと
を備え、
前記主体金具には前記先端部に向けて内径が漸減しパッキン係合面となる棚部が形成され、前記絶縁体には前記先端部に向けて外径が漸減し前記棚部に対向するパッキン係合面となる段部が形成され、前記棚部と前記段部との間に前記パッキンが配置されたスパークプラグにおいて、
前記棚部と前記段部との間の距離が径方向内側に向かって近づくものであり、
前記棚部と前記段部とのなす角度が１度以上１０度以下であることを特徴とするスパークプラグ。

（２） 前記主体金具の外周面には、周方向に沿ってガスシール部が形成されており、前記ガスシール部から前記主体金具の前記先端面までの長さが２５ｍｍ以上であることを特徴とする前記（１）記載のスパークプラグ。

（３） 前記主体金具の前記棚部の硬度が前記パッキンの硬度よりも大きいことを特徴とする前記（１）又は（２）記載のスパークプラグ。

（４） 少なくとも前記主体金具の前記棚部及び前記パッキンの表面に亜鉛めっきが施されていることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか記載のスパークプラグ。

上記（１）の構成によれば、主体金具の棚部と段部との間の距離が径方向内側に向かって近づくものであり、棚部と絶縁体の段部とのなす角度が１度以上１０度以下であることにより、パッキンにかかる応力が内側に集中し、パッキンの過変形を抑えつつ、パッキンに生ずる残留応力を十分大きく保つことができる。したがって、気密性を確保しながらパッキンのはみ出し変形量及び昇り変形量を抑えることができる。なお、上記角度が１度未満であると、パッキンの変形抑制効果が少なく、パッキンの内径部が主体金具の棚部における最小径部よりも内側にはみ出る量（はみ出し変形量）が増えるおそれがあり、また、上記角度が１０度超であると、パッキンの外径部が絶縁体の段部における後端よりも後端側にはみ出る量（昇り変形量）が増えるおそれがあるので好ましくない。

本発明は、上記（２）の構成のように、スパークプラグにおけるガスシール部から主体金具の先端面までの長さが２５ｍｍ以上の、いわゆるロングリーチプラグにおいて特に有効である。すなわち、上記長さが２５ｍｍ以上のスパークプラグでは、主体金具と絶縁体との熱膨張差の違いに起因して、熱間時の気密性が低下するおそれがあるので、パッキンに、より大きな残留応力を持たせるためにパッキンを変形させる必要がある。上記（２）の構成によれば、パッキン内径部のはみ出し変形量や、パッキン外径部の昇り変形量を十分抑えつつ、パッキンに大きな残留応力を持たせることができる。

上記（３）の構成によれば、主体金具の棚部の硬度がパッキンの硬度よりも大きいので、パッキンが主体金具の棚部の面に倣って確実に変形し、主体金具の棚部と絶縁体の段部との角度が変化することがない。

上記（４）の構成によれば、少なくとも主体金具の棚部及びパッキンの表面に亜鉛めっきが施されていることにより、亜鉛めっき層どうしの摩擦係数が大きいことから、パッキンのすべり変形を抑制することができる。したがって、パッキンそのものの変形を抑えて気密性を向上させることができる。

本発明によれば、絶縁体の割れを引き起こすようなパッキンの内径部のはみ出し変形量や外径部の昇り変形量を抑制することができ、パッキンに生ずる残留応力を十分大きく保つことができ、確実な気密性が得られる。

本発明に係るスパークプラグの断面図である。 パッキンの斜視図である。 図１におけるスパークプラグのシール部の拡大図である。 図１におけるスパークプラグのシール部の変形例の拡大図である。 実施例１の試験結果を表すグラフである。 実施例２の試験結果を表すグラフである。 実施例３、４の試験結果を表すグラフである。 従来のスパークプラグのシール部の拡大図である。 従来のスパークプラグのシール部のパッキン変形時の拡大図である。

以下、本発明に係るスパークプラグの好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に係るスパークプラグの断面図であり、図２はパッキンの斜視図、図３は図１におけるスパークプラグのシール部の拡大図である。

図１に示すように、本実施形態のスパークプラグ１０は、筒状の主体金具１１と、この主体金具１１に嵌め込まれ、この主体金具１１の先端部１１ａから自身の先端部１２ａが露出された筒状の絶縁体１２と、この絶縁体１２の先端部１２ａから自身の先端部１３ａが露出されるようにこの絶縁体１２内に配置された中心電極１３と、主体金具１１の先端部１１ａに一端部が結合され、且つ他端部が中心電極１３の先端部１３ａに対向配置された接地電極１４等を主に備えて構成されている。
なお、以下の説明において、中心電極１３の軸方向において接地電極１４が配置される側を「前方側」、これと反対側を「後端側」として説明する。

主体金具１１は炭素鋼等で形成されており、必要に応じて表面に亜鉛めっきが施される。主体金具１１の外周面には、例えば内燃機関のシリンダヘッドに取り付けられるための取付け用のねじ部１５が周方向にわたって形成されている。そして、アルミナ等のセラミックス焼成体からなる絶縁体１２には、軸方向に形成された貫通孔１６の後端側（図中上方）の端部に端子金具１７がその先端部１７ａが露出された状態で挿入・固定されており、前方側（図中下方）の端部に中心電極１３がその先端部１３ａが露出された状態で挿入・固定されている。中心電極１３の内部には、銅製の芯１３ｂが設けられている。

また、貫通孔１６内において端子金具１７と中心電極１３との中間部には、抵抗体１８が配置されており、そしてこの抵抗体１８の軸方向両端部には、導電性ガラスシール層１９，２０が配置されている。即ち、この抵抗体１８及び導電性ガラスシール層１９，２０を介して中心電極１３と端子金具１７とは電気的に接続されていることになる。これら導電性ガラスシール層１９，２０及び抵抗体１８は、導電性結合層を形成するものである。

なお、抵抗体１８を省略して、端子金具１７と中心電極１３とを単一の導電性ガラスシール層で接合するようにしてもよい。

また、主体金具１１の内壁には、前方側に向かって内径が漸減した棚部３０が形成されている。また、絶縁体１２の外壁には、主体金具１１の棚部３０に対向して前方側に向かって外径が漸減した段部３２が形成されている。そして、棚部３０と段部３２との間には、図２に示す円環状の鉄製パッキン３４が装填されている。パッキン３４は必要に応じて表面に亜鉛めっきが施される。

主体金具１１の後端側開口部が絶縁体１２に向けて径方向内側に加締められると、絶縁体１２が主体金具１１の棚部３０に向けて押圧されることによりパッキン３４も主体金具１１の棚部３０と絶縁体１２の段部３２とにより挟持されて変形され、変形したパッキン３４が棚部３０と段部３２との間の隙間を気密に閉塞するようになっている。

なお、主体金具１１のねじ部１５の後端側には、径方向外側に突出したガスシール部４０が形成されており、このガスシール部４０から主体金具１１の先端面までの長さＬが、本実施形態では２５ｍｍ以上になっている。

中心電極１３は、インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ：商標名）等の耐熱性及び耐食性に優れたＮｉ合金により円柱状に形成されており、この中心電極１３の先端部１３ａには、例えば、イリジウムを主成分とする合金からなる円柱状の中心電極側貴金属チップ２１がレーザ溶接等により固着されている。

接地電極１４は、耐熱性及び耐食性に優れたＮｉ合金により角柱状に形成されており、基部１４ａが主体金具１１の前方側端部に溶接により固定され、先端部（他端部）１４ｂが中心電極１３に対向するようにその中間部に曲部１４ｃを有して略Ｌ字型に屈曲している。この接地電極１４の、中心電極側貴金属チップ２１と対向する位置に、例えば、白金を主成分とする合金からなる円柱状の接地電極側貴金属チップ２２が、レーザ溶接等により固着されている。

これにより、中心電極側貴金属チップ２１と、接地電極側貴金属チップ２２との間には、火花放電ギャップｇが形成されることになる。火花放電ギャップｇの距離は、例えば、略０．９ｍｍ程度として設定される。そして、この状態で接地電極１４（接地電極側貴金属チップ２２）と中心電極１３（中心電極側貴金属チップ２１）との間に高電圧が印加されることにより、火花放電ギャップｇにて火花放電させて、本発明に係るスパークプラグ１０がエンジンの着火源として機能することになる。

図３に示すように、棚部３０と段部３２とは平行に対向しておらず、わずかに傾いて対向している。本実施形態では、棚部３０と段部３２との間の距離が径方向内側に向かって近づくものであり、棚部３０と段部３２とのなす角θは、１度以上１０度以下に設定されている。

ここで、棚部３０と段部３２とのなす角θは、例えば、スパークプラグ１０をその中心軸を通るように切断し、得られた断面を含む仮想平面上において、棚部３０を延長した仮想線と段部３２を延長した仮想線とのなす角を測定することで求めることができる。

また、棚部３０と段部３２との間の距離が径方向内側に向かって近づくとは、上記仮想平面上において、スパークプラグ１０の中心軸と棚部３０を延長した仮想線とがなす鋭角が、スパークプラグ１０の中心軸と段部３２を延長した仮想線とがなす鋭角よりも大きい構成を意味する。

なお、図４に示すように、棚部３０が変形して全域が平坦ではない場合は、棚部３０の平坦な部分３０ａを延長した仮想線と、段部３２を延長した仮想線とのなす角θが、１度以上１０度以下に設定される。

棚部３０と段部３２とのなす角θが、１度以上１０度以下であることにより、主体金具１１の後端側開口部を加締めてパッキン３４を変形させたときに、パッキン内径部３４ａが棚部３０における最小径部の内側にはみ出る量（はみ出し変形量）を抑えることができると共に、パッキン外径部３４ｂが主体金具１１と絶縁体１２の段部３２よりも後端側の部位との隙間の奥まで入り込む後端側への昇り変形量を抑えることができる。

これは、絶縁体１２が主体金具１１の棚部３０に向けて押圧されるとパッキン３４に軸方向の力が作用するが、棚部３０と段部３２とが１度以上１０度以下で傾いていることにより、パッキン３４の内径部側にかかる応力を高めることができるので、パッキン３４の過変形を抑えつつ、パッキン３４に生ずる残留応力を十分大きくすることができると考えられる。

したがって、パッキン内径部３４ａのはみ出し変形量及びパッキン外径部３４ｂの昇り変形量を抑えることができ、はみ出し変形部及び昇り変形部が絶縁体１２を押圧することによる割れ等の不具合の発生を防止しつつ、信頼性の高い気密性が得られる。特に、ガスシール部４０から主体金具１１の先端面までの長さＬが２５ｍｍ以上であるロングリーチプラグでは、パッキン３４の気密性が低くなるおそれがあるが、上記構成を適用することにより確実な気密性が得られる。

なお、パッキン３４を適正に変形させるためには、パッキン３４の硬度よりも主体金具１１の硬度が大きいことが好ましい。主体金具１１の硬度をパッキンの硬度よりも大きくすることにより、加締め時にパッキン３４が適正に変形するとともに、主体金具１１の棚部３０の変形が防止される。

また、主体金具１１の表面に亜鉛めっきが施されている場合は、パッキン３４も表面に亜鉛めっきが施されたものを用いることが好ましい。この場合、パッキン３４の変形時に、主体金具１１とパッキン３４との亜鉛めっき層どうしの間に強い摩擦力が働くことでパッキン３４の過変形が抑えられる。

以上説明したように、本発明のスパークプラグ１０によれば、パッキン３４のはみ出し量及び昇り量を抑えつつパッキン３４に生ずる残留応力を十分大きくすることができ、絶縁体１２が割れることを防止しつつ主体金具１１と絶縁体１２との間の高い気密性が得られる。

次に、上記構成による本発明の実施例を説明する。
なお、本評価試験では、前述した実施形態のスパークプラグ１０を用いて実施した。

実施例１
主体金具１１の棚部３０と絶縁体１２の段部３２とのなす角度θを変更して、ＩＳＯ１１５６５に基づく気密試験を実施し、プラグ内部からの漏洩がなくなる加締めを行ったときのパッキン３４のはみ出し量を測定した。ここで、絶縁体１２の段部３２が軸方向に直交する方向とのなす角度は、３０度に固定した。結果を図５に示す。

図５に示すグラフから明らかなように、角度θが０度以下であると、はみ出し量が０．１ｍｍよりも大きくなった。これは絶縁体１２に絞り割れを引き起こすおそれのある変形量である。これに対し、角度θが１度以上であると、はみ出し量は０．０２ｍｍ以下に抑えられた。これは絶縁体１２に絞り割れを引き起こすような変形量ではない。

これらのことから、主体金具１１の棚部３０と絶縁体１２の段部３２とのなす角度θが１度以上であると、適正な気密性を維持した状態でパッキン３４のはみ出し量を許容レベルに抑えられることが分かる。

実施例２
主体金具１１の棚部３０と絶縁体１２の段部３２とのなす角度θを変更して、ＩＳＯ１１５６５に基づく気密試験を実施し、プラグ内部からの漏洩がなくなる加締めを行ったときのパッキン３４の昇り量を測定した。ここで、絶縁体１２の段部３２が軸方向に直交する方向とのなす角度は、３０度に固定した。結果を図６に示す。

図６に示すグラフから明らかなように、角度θが１０度以下であると、昇り量は０．０１ｍｍ以下に抑えられた。これは絶縁体１２に押し割れを引き起こすような変形量ではない。これに対し、角度θが１５度以上であると、昇り量は０．０５ｍｍ程度となった。これは絶縁体１２に押し割れを引き起こすおそれのある変形量である。

これらのことから、主体金具１１の棚部３０と絶縁体１２の段部３２とのなす角度θが１０度以下であると、パッキン３４の昇り量を許容レベルに抑えられることが分かる。

更に、実施例１の結果と、実施例２の結果とから、主体金具１１の棚部３０と絶縁体１２の段部３２とのなす角度θが１度以上１０度以下であると、パッキン３４のはみ出し量及び昇り量の両方を許容レベルに抑えられることが分かる。

実施例３
スパークプラグ１０として、ガスシール部４０から主体金具１１の先端面までの長さＬが２５ｍｍ以上のロングリーチプラグを用いて、主体金具１１の棚部３０と絶縁体１２の段部３２とのなす角度θを０度と５度とに変更して、ＩＳＯ１１５６５に基づく気密試験を実施したときの、パッキン３４のはみ出し量及びプラグ内部からの漏洩量を測定した。なお、漏洩量は、角度θ＝０度で鉄製パッキンを用い、はみ出し量が０ｍｍになるサンプルでのプラグ内部からの漏洩量を１とし、他のデータはこれに対する割合で表す。結果を図７に示す。

図７に示すグラフから明らかなように、同じ気密性（漏洩量割合）を得られるように主体金具１１の後端側開口部を加締めてパッキン３４を変形させたとき、角度θが５度のプラグは、角度θが０度のプラグよりもはみ出し量が少ないことが分かる。例えば、同じ漏洩量割合では、角度θが５度のプラグのデータは、角度θが０度のプラグのデータよりも常に左に位置しており、はみ出し量が少ないことが分かる。

これらのことから、ガスシール部４０から主体金具１１の先端面までの長さＬが２５ｍｍ以上のロングリーチプラグでは、主体金具１１の棚部３０と絶縁体１２の段部３２とが、平行ではなく、わずかに傾いて対向していることにより、パッキン３４のはみ出し量が少なくなることが分かる。

実施例４
主体金具１１として表面に亜鉛めっきが施されたものを用い、パッキン３４として表面に亜鉛めっきが施された鉄製パッキン３４と、亜鉛めっきが施されていない鉄製パッキン３４の２種を用い、パッキン３４のはみ出し量と漏洩量を測定した。結果を図７に示す。

図７から明らかなように、同じ気密性（漏洩量割合）を得られるように主体金具１１の後端側開口部を加締めてパッキン３４を変形させたとき、亜鉛めっきが施されたパッキン３４は、亜鉛めっきが施されていないパッキン３４よりもはみ出し量が少ないことが分かる。例えば、同じ漏洩量割合では、亜鉛めっきを施されたパッキン３４のデータは、亜鉛めっきを施されていないパッキン３４のデータよりも常に左に位置しており、はみ出し量が少ないことが分かる。

これらのことから、主体金具１１の表面に亜鉛めっきが施されている場合は、パッキン３４の表面にも亜鉛めっきが施されていることにより、パッキン３４のはみ出し量が少なくなることが分かる。従って、亜鉛めっきが施された主体金具１１の場合は、亜鉛めっきが施されたパッキン３４を用いることが好ましいことが分かる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、上記実施形態は、ガスシール部４０から主体金具１１の先端面までの長さＬが２５ｍｍ以上のロングリーチプラグに特に有効であるが、本発明は、ガスシール部４０から主体金具１１の先端面までの長さＬが２５ｍｍ未満のスパークプラグに適用しても有効である。

本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。

本出願は、２００８年９月２４日出願の日本特許出願（特願２００８−２４３６９９）、に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

１０ スパークプラグ
１１ 主体金具
１１ａ 主体金具の先端部
１２ 絶縁体
１２ａ 絶縁体の先端部
１３ 中心電極
１３ａ 中心電極の先端部
１４ 接地電極
１４ｂ 接地電極の先端部
２２ 接地電極側貴金属チップ
３０ 棚部
３２ 段部
３４ パッキン
３４ａ パッキン内径部
３４ｂ パッキン外径部
４０ ガスシール部
ｇ 火花放電ギャップ

Claims (4)

1. 筒状の主体金具と、
   当該主体金具に嵌め込まれ、当該主体金具の先端部から自身の先端部が露出された筒状の絶縁体と、
   当該絶縁体の前記先端部から自身の先端部が露出されるように当該絶縁体内に配置された中心電極と、
   前記主体金具に一端部が結合され、且つ他端部が前記中心電極の前記先端部に対向配置され、前記他端部と前記中心電極の前記先端部との間に火花放電ギャップを形成する接地電極と、
   前記主体金具と前記絶縁体との間に装着されて前記主体金具と前記絶縁体間を気密にシールするパッキンと
   を備え、
   前記主体金具には前記先端部に向けて内径が漸減しパッキン係合面となる棚部が形成され、前記絶縁体には前記先端部に向けて外径が漸減し前記棚部に対向するパッキン係合面となる段部が形成され、前記棚部と前記段部との間に前記パッキンが配置されたスパークプラグにおいて、
   前記棚部と前記段部との間の距離が径方向内側に向かって近づくものであり、
   前記棚部と前記段部とのなす角度が１度以上１０度以下であることを特徴とするスパークプラグ。
2. 前記主体金具の外周面には、周方向に沿ってガスシール部が形成されており、前記ガスシール部から前記主体金具の前記先端面までの長さが２５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ。
3. 前記主体金具の前記棚部の硬度が前記パッキンの硬度よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２記載のスパークプラグ。
4. 少なくとも前記主体金具の前記棚部及び前記パッキンの表面に亜鉛めっきが施されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載のスパークプラグ。

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