JPWO2012105255A1 - スパークプラグ - Google Patents
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Abstract
この発明の課題は、中心電極とシール材との密着性が良好なスパークプラグの提供である。この発明のスパークプラグは、軸線方向に延びる軸孔、前記軸孔の先端側に延在する第１内周面、前記軸孔の後端側に延在し、前記第１内周面より大きい内径を有する第２内周面、及び前記第１内周面と前記第２内周面とを連結する棚部を有する絶縁体と、前記棚部に支持されて前記第２内周面により囲まれる空間に延在する頭部と前記頭部の先端から連設されて前記第１内周面により囲まれる空間に延在する円柱状の脚部とを有する中心電極と、前記中心電極を前記軸孔内に保持するシール材と、を備え、前記中心電極において前記脚部から後端に向かって前記脚部の平均外径より拡径し始める位置を位置P1 とした際、該位置P1 から前記中心電極の先端までの軸線方向距離が15mm 以上、前記位置P1 から前記中心電極の後端までの軸線方向距離が3.8mm 以上であることを特徴とする。
Description
この発明は、内燃機関の点火に用いられるスパークプラグに関し、特に中心電極の絶縁体の軸孔内への固定が良好なスパークプラグに関する。
自動車エンジン等の内燃機関の点火用に使用されているスパークプラグは、一般に、筒状の主体金具と、この主体金具の内孔に配置される筒状の絶縁体と、この絶縁体の先端側軸孔に配置される中心電極と、他端側軸孔に配置される端子金具と、主体金具の先端側に一端が接合され、他端が中心電極と対向して火花放電間隙を形成する接地電極とを備える。
ところで、近年、過給器による出力向上により、少ない燃料で走行距離を伸ばす技術が開発されている。このような内燃機関においては、燃焼室内の温度が上昇する傾向にあり、スパークプラグの使用環境は益々苛酷になってきている。スパークプラグが燃焼室内で温度の上昇と低下とが繰り返されると（以下において冷熱サイクルと称することがある。）、中心電極が絶縁体の軸孔内で緩み、がたつくことがある。すなわち、中心電極はシール材によって絶縁体の軸孔内に固定されているところ、冷熱サイクルが繰り返されることにより、中心電極とシール材との固着力が低下し易くなってしまう。
このような課題に対して、例えば、特許文献１の請求項１には、中心電極の絶縁体内における固着強度を向上させるために、「・・前記中心電極の頭部の外周に、溝が形成されていることを特徴とするスパークプラグ。」が記載されている。
また、特許文献２の請求項１には、ガラスシール材によって、十分な強度、耐衝撃性が確保できるようにするために、「・・前記軸孔の前記径大孔の内径ｄ０、前記鍔状部の直径ｄ１、前記頭部の直径ｄ２が、０≦ｄ１−ｄ２≦１ｍｍの範囲にあり、前記鍔状部の先端側の外縁から前記頭部の後端までの鍔頭長ｈが、２．０≦ｈ≦３．０ｍｍ且つ（ｄ０−ｄ１）×５の±２５％の範囲にあることを特徴とするスパークプラグ。」が記載されている。
この発明は、中心電極とシール材との密着性が良好なスパークプラグを提供することを課題とする。
前記課題を解決するための手段は、
（１） 軸線方向に延びる軸孔、前記軸孔の先端側に延在する第１内周面、前記軸孔の後端側に延在し、前記第１内周面より大きい内径を有する第２内周面、及び前記第１内周面と前記第２内周面とを連結する棚部を有する絶縁体と、
前記棚部に支持されて前記第２内周面により囲まれる空間に延在する頭部と前記頭部の先端から連設されて前記第１内周面により囲まれる空間に延在する円柱状の脚部とを有する中心電極と、
前記棚部と前記第２内周面と前記頭部とにより囲まれる空間に充填されることにより前記中心電極を前記軸孔内に保持するシール材と、
を備えたスパークプラグであって、
前記中心電極において前記脚部から後端に向かって前記脚部の平均外径Ｈより拡径し始める位置を位置Ｐ１とすると、
前記位置Ｐ１から前記中心電極の先端までの軸線方向距離Ｅが１５ｍｍ以上であるとき、前記位置Ｐ１から前記中心電極の後端までの軸線方向距離Ａが３．８ｍｍ以上であることを特徴とするスパークプラグである。
（１） 軸線方向に延びる軸孔、前記軸孔の先端側に延在する第１内周面、前記軸孔の後端側に延在し、前記第１内周面より大きい内径を有する第２内周面、及び前記第１内周面と前記第２内周面とを連結する棚部を有する絶縁体と、
前記棚部に支持されて前記第２内周面により囲まれる空間に延在する頭部と前記頭部の先端から連設されて前記第１内周面により囲まれる空間に延在する円柱状の脚部とを有する中心電極と、
前記棚部と前記第２内周面と前記頭部とにより囲まれる空間に充填されることにより前記中心電極を前記軸孔内に保持するシール材と、
を備えたスパークプラグであって、
前記中心電極において前記脚部から後端に向かって前記脚部の平均外径Ｈより拡径し始める位置を位置Ｐ１とすると、
前記位置Ｐ１から前記中心電極の先端までの軸線方向距離Ｅが１５ｍｍ以上であるとき、前記位置Ｐ１から前記中心電極の後端までの軸線方向距離Ａが３．８ｍｍ以上であることを特徴とするスパークプラグである。
前記（１）のスパークプラグにおける好ましい態様として、以下の態様が挙げられる。（２） 前記平均外径Ｈが１．７ｍｍ以上である。
（３）前記（１）又は（２）に係るスパークプラグにおいて、前記頭部は、径方向に突出する大径部と前記大径部の後端から後端側に突出する突出部とを有し、
前記突出部を包囲可能な最小径を有する円筒Ｓ１を想定したとき、前記円筒Ｓ１の内径Ｂは前記大径部の外径より小さく、２ｍｍ以上３．３ｍｍ以下である。
（４）前記（１）〜（３）のいずれか一つに係るスパークプラグにおいて、前記中心電極において、前記大径部と前記突出部との境界を位置Ｐ２とすると、前記位置Ｐ２と前記位置Ｐ１との間の軸線方向距離Ｃが０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下である。
（５） 前記（１）〜（４）のいずれか一つに係るスパークプラグにおいて、前記軸線方向距離Ａが４ｍｍ以上である。
（６） 前記（１）〜（５）のいずれか一つに係るスパークプラグにおいて、前記中心電極の後端における前記絶縁体の内径Ｆが３．５ｍｍ以下である。
（７） 前記（１）〜（６）のいずれか一つに係るスパークプラグにおいて、前記軸線方向距離Ａが４．５ｍｍ以上である。
（８） 前記（１）〜（7）のいずれか一つに係るスパークプラグにおいて、前記中心電極の後端における前記絶縁体の内径Ｆが２．９ｍｍ以下である。
（３）前記（１）又は（２）に係るスパークプラグにおいて、前記頭部は、径方向に突出する大径部と前記大径部の後端から後端側に突出する突出部とを有し、
前記突出部を包囲可能な最小径を有する円筒Ｓ１を想定したとき、前記円筒Ｓ１の内径Ｂは前記大径部の外径より小さく、２ｍｍ以上３．３ｍｍ以下である。
（４）前記（１）〜（３）のいずれか一つに係るスパークプラグにおいて、前記中心電極において、前記大径部と前記突出部との境界を位置Ｐ２とすると、前記位置Ｐ２と前記位置Ｐ１との間の軸線方向距離Ｃが０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下である。
（５） 前記（１）〜（４）のいずれか一つに係るスパークプラグにおいて、前記軸線方向距離Ａが４ｍｍ以上である。
（６） 前記（１）〜（５）のいずれか一つに係るスパークプラグにおいて、前記中心電極の後端における前記絶縁体の内径Ｆが３．５ｍｍ以下である。
（７） 前記（１）〜（６）のいずれか一つに係るスパークプラグにおいて、前記軸線方向距離Ａが４．５ｍｍ以上である。
（８） 前記（１）〜（7）のいずれか一つに係るスパークプラグにおいて、前記中心電極の後端における前記絶縁体の内径Ｆが２．９ｍｍ以下である。
この発明のスパークプラグは、前記軸線方向距離Ｅが１５ｍｍ以上であるとき、前記軸線方向距離Ａが３．８ｍｍ以上、好ましくは４．５ｍｍ以上であるので、中心電極とシール材との密着性が良好なスパークプラグを提供することができる。
この発明のスパークプラグは、前記円筒Ｓ１の内径Ｂが前記大径部の外径より小さく、２ｍｍ以上３．３ｍｍ以下である、及び／又は、前記軸線方向距離Ｃが０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であるので、中心電極とシール材との密着性がより一層良好なスパークプラグを提供することができる。
この発明のスパークプラグは、前記平均外径Ｈが１．７ｍｍ以上、及び／又は、前記絶縁体の内径Ｆが３．５ｍｍ以下、特に２．９ｍｍ以下であるとき、中心電極とシール材との密着性の向上に対して特に効果が高い。
この発明に係るスパークプラグの一実施例であるスパークプラグを図１に示す。図１はこの発明に係るスパークプラグの一実施例であるスパークプラグ１の断面全体説明図である。なお、絶縁体の軸線をＯとし、図１では紙面下方を軸線Ｏの先端方向、紙面上方を軸線Ｏの後端方向として、説明する。
このスパークプラグ１は、軸線Ｏ方向に延びる軸孔２を有する絶縁体３と、前記軸孔２の先端側でシール材６により保持される中心電極４と、前記軸孔２の後端側で保持される端子金具５と、前記絶縁体３を収容する主体金具７と、一端が前記主体金具７の先端面に接合されると共に他端が前記中心電極４と間隙を介して対向するように配置された接地電極８とを備える。
前記主体金具７は、略円筒形状を有しており、絶縁体３を収容して保持するように形成されている。主体金具７における先端方向の外周面にはネジ部９が形成されており、このネジ部９を利用して図示しない内燃機関のシリンダヘッドにスパークプラグ１が装着される。主体金具７は、導電性の鉄鋼材料、例えば、低炭素鋼により形成されることができる。このネジ部９は小径化を図るためにＭ１２以下とされるのが好ましい。
前記接地電極８は、例えば、略角柱体に形成されてなり、一端が主体金具７の先端面に接合され、途中で略Ｌ字に曲げられて、その先端部が中心電極４の先端部と間隙を介して対向するように、その形状及び構造が設計されている。接地電極８は、中心電極４を形成する材料と同様の材料により形成される。
前記端子金具５は、中心電極４と接地電極８との間で火花放電を行うための電圧を外部から中心電極４に印加するための端子である。端子金具５は、軸孔２の内径よりも外径が大きく、軸孔２から露出して、絶縁体３の軸線Ｏ方向の後端側端面にその一部が当接する鍔部１０と鍔部１０の軸線Ｏ方向の先端側端面から先端方向に延在し、軸孔２に収容される略円柱状の棒状部１１とを有する。端子金具５は、例えば、低炭素鋼等で形成され、その表面にＮｉ金属層がメッキ等で形成されている。
前記絶縁体３は、主体金具７の内周部に滑石（タルク）１２又はパッキン１３等を介して保持されている。絶縁体３は、前記軸孔２の先端側に延在する第１内周面１４、前記軸孔２の後端側に延在し、前記第１内周面１４より大きい内径を有する第２内周面１５、前記第１内周面１４と前記第２内周面１５とを連結する棚部１６を有する。絶縁体３は、その先端方向の端部が主体金具７の先端面から突出した状態で、主体金具７に固定されている。絶縁体３は、機械的強度、熱的強度、電気的強度等を有する材料であることが望ましく、このような材料として、例えば、アルミナを主体とするセラミック焼結体が挙げられる。
前記中心電極４は、前記棚部１６に支持されて前記第２内周面１５により囲まれる空間に延在する頭部１７と前記頭部１７の先端から連設されて前記第１内周面１４により囲まれる空間に延在する円柱状の脚部１８と脚部１８の先端から連設されて脚部の外径より縮径して延在する先端部２９とを有し、先端が絶縁体３の先端面から突出した状態で主体金具７に対して絶縁保持されている。前記頭部１７は、径方向に突出する大径部１９と前記大径部１９の後端から後端側に突出する突出部２０とを有する。前記先端部２９は、絶縁体３の先端面から露出しており、円錐台形を有している。この態様においては、前記先端部２９全体が絶縁体３の先端面から露出しているが、前記先端部２９の一部が第１内周面１４により囲まれる空間に延在していてもよい。中心電極４は、熱伝導性及び機械的強度等を有する材料で形成されることが望ましく、例えば、インコネル（商標名）６００等のＮｉ基合金で形成される。中心電極４は、Ｎｉ基合金等により形成された外層２７により内包され、前記外層２７より熱伝導率の高い材料で形成された軸心部２８を有しても良く、前記軸心部２８を形成する材料として、例えば、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｇ、又はＡｇ合金等を挙げることができる。
前記シール材６は、前記棚部１６と前記第２内周面１５と前記頭部１７とにより囲まれる空間に充填されることにより前記中心電極４を前記軸孔２内に保持する。シール材６は、ホウケイ酸ソーダガラス等のガラス粉末、Ｃｕ、Ｆｅ等の金属粉末を含むシール粉末を焼結して形成されることができる。シール材６の抵抗値は、通常数１００ｍΩ以下である。
中心電極４と端子金具５との間には、前記シール材６を介して抵抗体２１が設けられている。抵抗体２１は、中心電極４と端子金具５とを電気的に接続し、この抵抗体２１により電波ノイズの発生が防止される。抵抗体２１は、ホウケイ酸ソーダガラス等のガラス粉末、ＺｒＯ２等のセラミック粉末、カーボンブラック等の非金属導電性粉末、及び／又は、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ａｇ、Ｎｉ等の金属粉末等を含有する抵抗体組成物を焼結して形成されることができる。この抵抗体２１の抵抗値は、通常１００Ω以上である。
この態様においては、抵抗体２１と端子金具５との間に前記シール材６と同様の材料により形成される第２シール材２２が設けられ、端子金具５が絶縁体３に対して封着固定されている。第２シール材は必要に応じて設けられ、第２シール材２２がない場合には、前記抵抗体２１により端子金具５が絶縁体３に対して封着固定される。
このスパークプラグは、図２に示すように、中心電極４において脚部１８から後端に向かって脚部１８の平均外径Ｈより拡径し始める位置を位置Ｐ１とすると、
前記位置Ｐ１から前記中心電極４の先端までの軸線方向距離Ｅが１５ｍｍ以上であるとき、前記位置Ｐ１から前記中心電極４の後端までの軸線方向距離Ａが３．８ｍｍ以上であり、好ましくは４ｍｍ以上、より好ましくは４．５ｍｍ以上である。
前記位置Ｐ１から前記中心電極４の先端までの軸線方向距離Ｅが１５ｍｍ以上であるとき、前記位置Ｐ１から前記中心電極４の後端までの軸線方向距離Ａが３．８ｍｍ以上であり、好ましくは４ｍｍ以上、より好ましくは４．５ｍｍ以上である。
スパークプラグが燃焼室内で温度の上昇と低下とが繰り返されると、中心電極４と接地電極との間に発生する火花放電による熱及び燃焼室内の熱等が中心電極４の先端から後端側に配置されている頭部１７に伝導し、中心電極４の頭部１７の温度が上がり、その後放冷されて温度が下がるというサイクルが繰り返される。このような冷熱サイクルが繰り返されると、中心電極４を形成する材料とシール材６を形成する材料との熱膨張係数の違いにより、頭部１７とシール材６との界面近傍におけるシール材６に気孔が形成される。スパークプラグが、冷熱サイクルが繰り返され、またその温度差が大きいほど、頭部１７の熱膨張が大きくなり、気孔が形成され易くなる。また、気孔と気孔との間にひび割れが発生し易くなる。さらに、内燃機関を稼動させると振動が発生するので、形成された気孔と気孔との間にひび割れが生じ易くなり、さらに空隙が大きくなり易くなる。
しかし、前記軸線方向距離Ａが前記範囲内であると、頭部１７の熱膨張が低減されることによりシール材６に気孔が形成されるのが抑制され、また気孔と気孔との間にひび割れが発生するのが抑制されるので、中心電極４とシール材６との密着性が良好なスパークプラグを提供することができる。このようなスパークプラグは、温度の上昇と低下とが繰り返され、さらにその温度差の厳しい燃焼室内に設けられても、中心電極４が絶縁体３の軸孔２内で緩み、がたつくことが防止される。
頭部１７の温度は、前記軸線方向距離Ｅが異なる場合には、中心電極４の先端部の温度が同じであっても、先端部から頭部１７に伝導される熱量の違いにより、異なる。軸線方向距離Ｅが短いとき、すなわち１５ｍｍ未満である場合には、頭部１７の温度を一定温度以下に抑えられないので、軸線方向距離Ａを長くしても前記効果を得ることができない。一方、軸線方向距離Ｅが長いとき、すなわち１５ｍｍ以上である場合には、軸線方向距離Ａを３．８ｍｍ以上、好ましくは４ｍｍ以上、より好ましくは４．５ｍｍ以上とすることで、前記効果が得られる。
なお、中心電極４の先端に貴金属により形成される貴金属チップ３０が設けられている場合には、この貴金属チップ３０の先端を中心電極４の先端とする。したがって、貴金属チップ３０が設けられている場合には、前記軸線方向距離Ｅは、前記位置Ｐ１から貴金属チップ３０の先端までの軸線方向距離である。
前記軸線方向距離Ａが３．８ｍｍ以下の場合には、頭部１７の温度が上昇し易くなるので、頭部１７の熱膨張が大きくなり、シール材６に気孔及びひび割れが発生し易くなる。よって、中心電極４とシール材６との密着性に劣る。軸線方向距離Ａが長い、例えば５ｍｍを超えると、火花放電が発生する位置から抵抗体２１の位置が離れてしまうので、電波雑音を抑制する効果が低下するおそれがある。よって、軸線方向距離Ａは５ｍｍ以下であるのが好ましい。
前記脚部１８の平均外径Ｈは、例えば、次のように測定することができる。まず、脚部１８の先端から軸線Ｏに沿って後端方向に１ｍｍの位置を測定開始点として、この測定開始点において直交する２方向の脚部１８の直径を測定する。同様にして、この測定開始点から後端方向に１ｍｍ毎に５点における２方向の直径を測定し、これらの１０点の測定値の算術平均を算出することにより平均外径Ｈを得ることができる。
前記位置Ｐ１は、前記脚部１８から後端方向に向かって平均外径Ｈより拡径し始める位置であり、換言すると、脚部１８と大径部１９との境界付近において外径が前記平均外径Ｈより常に大きい外径を有する部位における軸線Ｏ方向の先端位置である。
前記平均外径Ｈが１．７ｍｍ以上であるとき、軸線方向距離Ａが３．８ｍｍ以上であることによる効果は特に高い。平均外径Ｈが１．７ｍｍ以上であると、すなわち脚部１８が太いほど、脚部１８の先端から軸線Ｏ方向後端側への熱伝導速度が速くなり、上昇した脚部１８の先端の温度を素早く下げることができるので好ましい。一方で、平均外径Ｈが１．７ｍｍ以上であるとき頭部１７の温度は上昇し易くなる。したがって、前記軸線方向距離Ａが３．８ｍｍ以上であることによる前記効果が高い。また、脚部１８の外径は軸孔２内に設置可能な外径であれば良く、平均外径Ｈは通常５ｍｍ以下である。
図２に示されるように、前記大径部１９は、軸線Ｏ方向の先端側から順に拡径部２３と最大径部２４と縮径部２５とを有し、縮径部２５の後端側に突出部２０が連設されている。前記拡径部２３が前記棚部１６に支持されて、軸孔２内に中心電極４が固定されている。この実施態様においては、拡径部２３はテーパ状に形成され、最大径部２４の外周面は円柱状に形成され、縮径部２５は、円柱状の最大径部２４とこの最大径部２４より外径の小さい円柱状の突出部２０とを連結して、軸線Ｏに直交する平面として形成されている。
この実施態様においては、前記突出部２０は円柱状に形成され、前記突出部２０における大径部１９とは反対側の端部には円錐状の凹部２６が形成されている。凹部２６が形成されていると、シール材６と頭部１７とが接触する面積が増大するので、シール材６と頭部１７とが密着し易くなる。
前記頭部１７の形状は、中心電極４が棚部１６に支持されて、軸孔２内に固定される限り特に限定されず、例えば、図３に示されるように、様々な形状を採用することができる。例えば、図３（ａ）に示されるように、中心電極４ａを軸線Ｏに沿って切断した切断面における頭部１７ａの形状を、頭部１７ａの輪郭線について中心電極４ａの先端側から順に説明すると、拡径部２３ａは、軸線Ｏに平行な線分をなす脚部１８ａの後端から連続して上に凸の曲線をなし、最大径部２４ａはこの曲線の後端から連続して軸線Ｏに平行な線分をなし、縮径部２５ａはこの線分の後端から連続して下に凸の曲線をなし、突出部２０ａはこの曲線の後端から連続して軸線Ｏに平行な線分をなしている。図３（ｂ）に示される頭部１７ｂの輪郭線については、大径部１９ｂは、軸線Ｏに平行な線分をなす脚部１８ｂの後端から連続して軸線Ｏに直交する方向に凸の曲線をなし、突出部２０ｂはこの曲線の後端から連続して、図３（ａ）と同様に軸線Ｏに平行な線分をなしている。図３（ｃ）に示される頭部１７ｃの輪郭線については、拡径部２３ｃは軸線Ｏに平行な線分をなす脚部１８ｃの後端からこの線分に直交する線分をなし、最大径部２４ｃはこの線分に直交して軸線Ｏ方向に平行な線分をなし、縮径部２５ｃはこの線分の後端から連続して軸線Ｏに対して傾きを有する線分をなし、突出部２０ｃはこの線分の後端から連続して軸線Ｏに略平行で波線を描く線分をなしている。突出部２０ｃの輪郭線が波線を描いているのは、突出部２０ｃの表面にネジ切り加工等の加工が施されていることによる。図３（ｃ）の突出部２０ｃにおける加工が施された表面と同様に、最大径部２４ａ〜２４ｃ、縮径部２５ａ〜２５ｃ、突出部２０ａ〜２０ｃの表面には、ネジ切り加工及びローレット加工等が施されることにより凹凸が形成されていてもよい。
前記突出部２０を包囲可能な最小径を有する円筒Ｓ１を想定したとき、前記円筒Ｓ１の内径Ｂは、前記大径部１９の外径より小さく、２ｍｍ以上３．３ｍｍ以下であるのが好ましい。突出部２０が太いほど熱膨張する体積が増加する一方で、突出部２０が太いほど熱が放出され易くなる。したがって、前記円筒Ｓ１の内径Ｂが前記範囲内にあるのが突出部２０の熱膨張を低減するのに好適である。よって、前記円筒Ｓ１の内径Ｂが前記範囲内であると、中心電極４とシール材６との密着性がより一層良好なスパークプラグ１を提供することができる。
前記中心電極４において、大径部１９と突出部２０との境界を位置Ｐ２とすると、前記位置Ｐ２と前記位置Ｐ１との間の軸線方向距離Ｃ、すなわち大径部１９の軸線方向距離Ｃが０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であるのが好ましい。脚部１８及び突出部２０より外径の大きい大径部１９の軸線方向距離Ｃが長いほど熱膨張する体積が増加する一方で、軸線Ｏ方向距離Ｃが長いほど熱が放出され易くなる。したがって、前記軸線方向距離Ｃが前記範囲内にあるのが大径部１９の熱膨張を低減するのに好適である。前記軸線方向距離Ｃが前記範囲内であると、中心電極４とシール材６との密着性がより一層良好なスパークプラグを提供することができる。
軸線方向距離Ｃは、位置Ｐ１と位置Ｐ２との軸線方向距離であり、位置Ｐ１の位置は前述したように規定され、位置Ｐ２は中心電極４の形状により、次のように規定することができる。位置Ｐ２は、大径部１９と突出部２０との境界であり、換言すると大径部１９と突出部２０との境界付近において外径が変化する位置である。図２及び図３（ｂ）、（ｃ）に示されるように、外径の変化が明確である場合には、大径部１９と突出部２０との境界付近で最も外径の変化が大きい位置を位置Ｐ２とする。一方、図３（ａ）に示されるように、大径部１９と突出部２０との境界付近において、外径の変化が明確でない場合には、大径部１９と突出部２０との境界付近で、前述のように想定した円筒Ｓ１の内径Ｂより軸線Ｏの先端方向に向かって外径が大きくなり始める位置を位置Ｐ２とする。
前記中心電極４の後端における前記絶縁体３の内径Ｆが３．５ｍｍ以下、特に２．９ｍｍ以下であるとき、前記軸線方向Ａが３．８ｍｍ以上であることによる効果は特に高い。前記内径Ｆが３．５ｍｍ以下、特に２．９ｍｍ以下であることは、自由なエンジン設計及びエンジン自体の小型化等のために、小型化したスパークプラグの開発が求められている近年の状況から望ましい。一方で、前記内径Ｆが３．５ｍｍ以下、特に２．９ｍｍ以下であると、後述するように、シール材６を形成するシール粉末を軸孔２内に充填して、熱を加えつつ圧力をかけることにより中心電極４を軸孔２内に封着固定する際に、シール材６を圧縮し難いためにシール材６に気孔が発生し易くなる。したがって、前記軸線方向距離Ａが３．８ｍｍ以上であることによる効果が高い。
前記スパークプラグ１は、例えば次のようにして製造される。
まず、公知の方法により所定の形状に中心電極４、接地電極８、主体金具７、端子金具５及び絶縁体３を作製し、主体金具７の先端面に、レーザ溶接等により接地電極８の一端部を接合する。
まず、公知の方法により所定の形状に中心電極４、接地電極８、主体金具７、端子金具５及び絶縁体３を作製し、主体金具７の先端面に、レーザ溶接等により接地電極８の一端部を接合する。
一方、絶縁体３の軸孔２内に中心電極４を挿入して、軸孔２の棚部１６に中心電極４の拡径部２３を係止し、第１内周面１５により囲まれる空間に脚部１８を、第２内周面により囲まれる空間に頭部１７を配置する。
次いで、シール材６を形成するシール粉末、抵抗体２１を形成する抵抗体組成物、及び第２シール材２２を形成するシール粉末をこの順に前記軸孔２内の後端側から入れて、プレスピンを軸孔２内に挿入して６０Ｎ／ｍｍ２以上の圧力で予備圧縮する。
次いで、前記軸孔２内の後端側から端子金具５の棒状部１１を挿入して、棒状部１１がシール粉末に接触するように端子金具５を配置する。
次いで、シール粉末及び抵抗体組成物を、シール粉末に含まれるガラス粉末のガラス軟化点以上の温度、例えば８００〜１０００℃の温度で３〜３０分にわたって加熱しつつ、端子金具５の鍔部１０の先端面が絶縁体３の後端面に当接するまで圧入して、シール粉末及び抵抗体組成物を圧縮加熱する。
こうしてシール粉末及び抵抗体組成物を焼結して抵抗体２１、シール材６及び第２シール材２２が形成され、シール材６及び第２シール材２２により中心電極４及び端子金具５が軸孔２内に封着固定される。このとき、中心電極４とシール材６との熱膨張係数の違いにより、中心電極４とシール材６との界面近傍におけるシール材６に複数の気孔が形成される。
次いで接地電極８が接合された主体金具７に、中心電極４及び端子金具５等が固定された絶縁体３を組み付ける。
最後に接地電極８の先端部を中心電極４側に折り曲げて、接地電極８の一端が中心電極４の先端部と対向するようにして、スパークプラグ１が製造される。
この発明に係るスパークプラグは、自動車用の内燃機関例えばガソリンエンジン等の点火栓として使用され、内燃機関の燃焼室を区画形成するヘッド（図示せず）に設けられたネジ穴に前記ネジ部が螺合されて、所定の位置に固定される。この発明に係るスパークプラグは、如何なる内燃機関にも使用することができるが、従来より燃焼室内が高温となる環境下で使用されるスパークプラグにおいて特に効果が発揮される。
この発明に係るスパークプラグは、前記した実施例に限定されることはなく、本願発明の目的を達成することができる範囲において、種々の変更が可能である。例えば、この発明に係るスパークプラグは、ねじ径によらず前記要件を満たすことにより、中心電極とシール材との密着性が良好なスパークプラグを提供することができる。
また、前記実施形態のスパークプラグ１は、中心電極４の後端面及び後端外周面に軸芯部２８が露出しているが、軸芯部２８は中心電極４の後端面にのみ露出していてもよいし、また軸芯部２８が露出されずに外層２７により全ての軸芯部２８が被覆されていてもよい。この発明に係るスパークプラグは、軸芯部の露出状態によらず前記要件を満たすことにより、中心電極とシール材との密着性が良好なスパークプラグを提供することができる。
前記中心電極４と前記接地電極８とが対向する面には、白金合金及びイリジウム合金等により形成される貴金属チップ３０，３１が設けられていてもよく、前記中心電極４及び前記接地電極８のいずれか一方にのみ貴金属チップが設けられていてもよい。この態様のスパークプラグ１においては、前記中心電極４及び前記接地電極８の両方に貴金属チップ３０，３１が設けられており、各貴金属チップ３０，３１の間に火花放電間隙ｇが形成されている。
＜スパークプラグの作製＞
図１に示すスパークプラグと同様の形状を有するスパークプラグを、前述した製造工程にしたがって作製した。絶縁体の内径（Ｆ）、位置Ｐ１から中心電極の後端までの軸線方向距離（Ａ）、突出部を内包可能な最小径を有する円筒Ｓ１の内径（Ｂ）、位置Ｐ１と位置Ｐ２との間の軸線方向距離（Ｃ）、位置Ｐ１から中心電極の先端までの軸線方向距離（Ｅ）、位置Ｐ２から中心電極の後端までの軸線方向距離（Ｇ）、脚部の平均外径（Ｈ）を変化させて、表１に示す種々の寸法のスパークプラグを作製した。
図１に示すスパークプラグと同様の形状を有するスパークプラグを、前述した製造工程にしたがって作製した。絶縁体の内径（Ｆ）、位置Ｐ１から中心電極の後端までの軸線方向距離（Ａ）、突出部を内包可能な最小径を有する円筒Ｓ１の内径（Ｂ）、位置Ｐ１と位置Ｐ２との間の軸線方向距離（Ｃ）、位置Ｐ１から中心電極の先端までの軸線方向距離（Ｅ）、位置Ｐ２から中心電極の後端までの軸線方向距離（Ｇ）、脚部の平均外径（Ｈ）を変化させて、表１に示す種々の寸法のスパークプラグを作製した。
前記各種寸法については、（Ｆ）はTOSHIBA製マイクロＣＴスキャナ(TOSCANER)を用いて透視画像により測定した。（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｅ）、（Ｇ）、（Ｈ）はスパークプラグから中心電極を取り出し、投影機により測定した。（Ｈ）は、前述したように、円柱状の脚部の先端から軸線に沿って後端方向に１ｍｍの位置を測定開始点として、この測定開始点から後端方向に１ｍｍ毎に５点における２方向の直径を測定して、算出した。（Ｂ）は、突出部の最大径を測定した。
なお、表１の試験Ｎｏ．１２のスパークプラグは、中心電極の突出部の表面にネジ加工が施されていること以外は、図１に示す中心電極の形状と同様とした。表１の試験Ｎｏ．１３のスパークプラグは、中心電極の突出部の形状を、三つ爪チャックにより加工された形状にしたこと以外は、図１に示す中心電極の形状と同様とした。これらの形状を有する突出部の（Ｂ）については、中心電極の軸線に直交する方向から突出部を投影機で撮影して突出部の径方向の最大幅を測定し、次いで中心電極を６０°回転させて、突出部の最大幅を測定し、同様にして中心電極を６０°回転させる毎に測定した合計６つの測定値のうちの最大値を（Ｂ）とした。
また、中心電極は、Ｃｕを主成分とする金属により形成される軸芯部とこの軸芯部を内包するＮｉを主成分とする金属により形成される外層とを有し、位置Ｐ２における外層の厚みは０．４ｍｍであった。
＜評価方法＞
（耐衝撃性試験）
製造したスパークプラグにおいて、中心電極の先端部が８００℃になるようにバーナーで加熱し、ＪＩＳ Ｂ ８０３１の７．４項に準じて耐衝撃性試験を行った後に、放冷を行うことを１サイクルとして、前記サイクルを繰り返し行った。１サイクル毎にスパークプラグの抵抗体の抵抗値を測定し、１２Ｖで測定した抵抗値をＲ０、３ｋＶで測定した抵抗値をＲ１としたときのＲ１／Ｒ０の値が０．６以下のとき、試験を終了し、このときのサイクル数により、中心電極とシール材との密着性を評価した。評価基準は以下の通りである。結果を表１に示す。
１：１サイクル未満
２：１サイクル以上２サイクル未満
３〜８：２サイクル以上のときは、１サイクル毎に１点加算
９：９サイクル以上１０サイクル未満
１０：１０サイクル以上
（耐衝撃性試験）
製造したスパークプラグにおいて、中心電極の先端部が８００℃になるようにバーナーで加熱し、ＪＩＳ Ｂ ８０３１の７．４項に準じて耐衝撃性試験を行った後に、放冷を行うことを１サイクルとして、前記サイクルを繰り返し行った。１サイクル毎にスパークプラグの抵抗体の抵抗値を測定し、１２Ｖで測定した抵抗値をＲ０、３ｋＶで測定した抵抗値をＲ１としたときのＲ１／Ｒ０の値が０．６以下のとき、試験を終了し、このときのサイクル数により、中心電極とシール材との密着性を評価した。評価基準は以下の通りである。結果を表１に示す。
１：１サイクル未満
２：１サイクル以上２サイクル未満
３〜８：２サイクル以上のときは、１サイクル毎に１点加算
９：９サイクル以上１０サイクル未満
１０：１０サイクル以上
製造したスパークプラグにおいて、中心電極の先端部が８５０℃になるようにバーナーで加熱したこと以外は、試験Ｎｏ．１〜４０と同様にして、試験を行った。結果を表２に示す。
この発明の範囲に含まれるスパークプラグは、表１及び表２に示されるように、冷熱サイクルが繰り返されても、中心電極とシール材との密着性が良好であり、抵抗値が上昇し難かった。
１ スパークプラグ
２ 軸孔
３ 絶縁体
４ 中心電極
５ 端子金具
６ シール材
７ 主体金具
８ 接地電極
９ ネジ部
１０ 鍔部
１１ 棒状部
１２ タルク
１３ パッキン
１４ 第１内周面
１５ 第２内周面
１６ 棚部
１７ 頭部
１８ 脚部
１９ 大径部
２０ 突出部
２１ 抵抗体
２２ 第２シール材
２３ 拡径部
２４ 最大径部
２５ 縮径部
２６ 凹部
２７ 外層
２８ 軸心部
２９ 先端部
３０、３１ 貴金属チップ
２ 軸孔
３ 絶縁体
４ 中心電極
５ 端子金具
６ シール材
７ 主体金具
８ 接地電極
９ ネジ部
１０ 鍔部
１１ 棒状部
１２ タルク
１３ パッキン
１４ 第１内周面
１５ 第２内周面
１６ 棚部
１７ 頭部
１８ 脚部
１９ 大径部
２０ 突出部
２１ 抵抗体
２２ 第２シール材
２３ 拡径部
２４ 最大径部
２５ 縮径部
２６ 凹部
２７ 外層
２８ 軸心部
２９ 先端部
３０、３１ 貴金属チップ
前記課題を解決するための手段は、
（１） 軸線方向に延びる軸孔、前記軸孔の先端側に延在する第１内周面、前記軸孔の後端側に延在し、前記第１内周面より大きい内径を有する第２内周面、及び前記第１内周面と前記第２内周面とを連結する棚部を有する絶縁体と、
前記棚部に支持されて前記第２内周面により囲まれる空間に延在する頭部と前記頭部の先端から連設されて前記第１内周面により囲まれる空間に延在する円柱状の脚部とを有する中心電極と、
前記棚部と前記第２内周面と前記頭部とにより囲まれる空間に充填されることにより前記中心電極を前記軸孔内に保持するシール材と、
を備えたスパークプラグであって、
前記中心電極において前記脚部から後端に向かって前記脚部の平均外径Ｈより拡径し始める位置を位置Ｐ１とすると、
前記位置Ｐ１から前記中心電極の先端までの軸線方向距離Ｅが１５ｍｍ以上であるとき、前記位置Ｐ１から前記中心電極の後端までの軸線方向距離Ａが３．８ｍｍ以上４．５ｍｍ以下であることを特徴とするスパークプラグである。
（１） 軸線方向に延びる軸孔、前記軸孔の先端側に延在する第１内周面、前記軸孔の後端側に延在し、前記第１内周面より大きい内径を有する第２内周面、及び前記第１内周面と前記第２内周面とを連結する棚部を有する絶縁体と、
前記棚部に支持されて前記第２内周面により囲まれる空間に延在する頭部と前記頭部の先端から連設されて前記第１内周面により囲まれる空間に延在する円柱状の脚部とを有する中心電極と、
前記棚部と前記第２内周面と前記頭部とにより囲まれる空間に充填されることにより前記中心電極を前記軸孔内に保持するシール材と、
を備えたスパークプラグであって、
前記中心電極において前記脚部から後端に向かって前記脚部の平均外径Ｈより拡径し始める位置を位置Ｐ１とすると、
前記位置Ｐ１から前記中心電極の先端までの軸線方向距離Ｅが１５ｍｍ以上であるとき、前記位置Ｐ１から前記中心電極の後端までの軸線方向距離Ａが３．８ｍｍ以上４．５ｍｍ以下であることを特徴とするスパークプラグである。
前記（１）のスパークプラグにおける好ましい態様として、以下の態様が挙げられる。
（２） 前記平均外径Ｈが１．７ｍｍ以上である。
（３）前記（１）又は（２）に係るスパークプラグにおいて、前記頭部は、径方向に突出する大径部と前記大径部の後端から後端側に突出する突出部とを有し、
前記突出部を包囲可能な最小径を有する円筒Ｓ１を想定したとき、前記円筒Ｓ１の内径Ｂは前記大径部の外径より小さく、２ｍｍ以上３．３ｍｍ以下である。
（４）前記（１）〜（３）のいずれか一つに係るスパークプラグにおいて、前記中心電極において、前記大径部と前記突出部との境界を位置Ｐ２とすると、前記位置Ｐ２と前記位置Ｐ１との間の軸線方向距離Ｃが０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下である。
（５） 前記（１）〜（４）のいずれか一つに係るスパークプラグにおいて、前記軸線方向距離Ａが４ｍｍ以上である。
（６） 前記（１）〜（５）のいずれか一つに係るスパークプラグにおいて、前記中心電極の後端における前記絶縁体の内径Ｆが３．５ｍｍ以下である。
（７） 前記（１）〜（６）のいずれか一つに係るスパークプラグにおいて、前記中心電極の後端における前記絶縁体の内径Ｆが２．９ｍｍ以下である。
（２） 前記平均外径Ｈが１．７ｍｍ以上である。
（３）前記（１）又は（２）に係るスパークプラグにおいて、前記頭部は、径方向に突出する大径部と前記大径部の後端から後端側に突出する突出部とを有し、
前記突出部を包囲可能な最小径を有する円筒Ｓ１を想定したとき、前記円筒Ｓ１の内径Ｂは前記大径部の外径より小さく、２ｍｍ以上３．３ｍｍ以下である。
（４）前記（１）〜（３）のいずれか一つに係るスパークプラグにおいて、前記中心電極において、前記大径部と前記突出部との境界を位置Ｐ２とすると、前記位置Ｐ２と前記位置Ｐ１との間の軸線方向距離Ｃが０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下である。
（５） 前記（１）〜（４）のいずれか一つに係るスパークプラグにおいて、前記軸線方向距離Ａが４ｍｍ以上である。
（６） 前記（１）〜（５）のいずれか一つに係るスパークプラグにおいて、前記中心電極の後端における前記絶縁体の内径Ｆが３．５ｍｍ以下である。
（７） 前記（１）〜（６）のいずれか一つに係るスパークプラグにおいて、前記中心電極の後端における前記絶縁体の内径Ｆが２．９ｍｍ以下である。
Claims (8)
- 軸線方向に延びる軸孔、前記軸孔の先端側に延在する第１内周面、前記軸孔の後端側に延在し、前記第１内周面より大きい内径を有する第２内周面、及び前記第１内周面と前記第２内周面とを連結する棚部を有する絶縁体と、
前記棚部に支持されて前記第２内周面により囲まれる空間に延在する頭部と前記頭部の先端から連設されて前記第１内周面により囲まれる空間に延在する円柱状の脚部とを有する中心電極と、
前記棚部と前記第２内周面と前記頭部とにより囲まれる空間に充填されることにより前記中心電極を前記軸孔内に保持するシール材と、
を備えたスパークプラグであって、
前記中心電極において前記脚部から後端に向かって前記脚部の平均外径Ｈより拡径し始める位置を位置Ｐ１とすると、
前記位置Ｐ１から前記中心電極の先端までの軸線方向距離Ｅが１５ｍｍ以上であるとき、前記位置Ｐ１から前記中心電極の後端までの軸線方向距離Ａが３．８ｍｍ以上であることを特徴とするスパークプラグ。 - 前記平均外径Ｈが１．７ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。
- 前記頭部は、径方向に突出する大径部と前記大径部の後端から後端側に突出する突出部とを有し、
前記突出部を包囲可能な最小径を有する円筒Ｓ１を想定したとき、前記円筒Ｓ１の内径Ｂは前記大径部の外径より小さく、２ｍｍ以上３．３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパークプラグ。 - 前記中心電極において、前記大径部と前記突出部との境界を位置Ｐ２とすると、前記位置Ｐ２と前記位置Ｐ１との間の軸線方向距離Ｃが０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のスパークプラグ。
- 前記軸線方向距離Ａが４ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のスパークプラグ。
- 前記中心電極の後端における前記絶縁体の内径Ｆが３．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のスパークプラグ。
- 前記軸線方向距離Ａが４．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のスパークプラグ。
- 前記中心電極の後端における前記絶縁体の内径Ｆが２．９ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のスパークプラグ。
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