WO2009116533A1

WO2009116533A1 - スパークプラグ

Info

Publication number: WO2009116533A1
Application number: PCT/JP2009/055169
Authority: WO
Inventors: 鈴木　彰; 加藤　友聡; 無笹　守
Original assignee: 日本特殊陶業株式会社
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2009-09-24
Also published as: EP2256882B1; EP2256882A1; CN101978564A; KR101525277B1; JP4913765B2; KR20100126400A; EP2256882A4; US8143773B2; US20110018422A1; CN101978564B; JP2009224268A

Abstract

　主体金具による絶縁碍子の支持位置を基準に絶縁碍子の強度（剛性）のバランスを調整することで、局所的な応力の集中に対する耐力を高め、絶縁碍子にクラックや割れ等が生ずるのを防止することができるスパークプラグを提供する。主体金具５０に保持された絶縁碍子１０は、後端側胴部１８に軸線Ｏと直交する曲げ方向への外力を受けた場合、パッキン６を介し加締部５３により支持される位置Ｃが支点として働き、その位置Ｃと、パッキン８を介し棚部５６に支持される位置Ｂとの間に応力が加わる。そこで絶縁碍子１０の後端の位置Ａと位置Ｃとの間における曲げに対する耐力を示すτＡと、位置Ｂと位置Ｃとの間における曲げに対する耐力を示すτＢとが０．７１≦τＡ／τＢ≦１．２７を満たすように大きさや断面係数のバランスを調整した絶縁碍子１０を設計すれば、クラックや割れ等を防止できる。

Description

スパークプラグ

　本発明は、内燃機関に組み付けられて混合気への点火を行うためのスパークプラグに関するものである。

　従来、内燃機関には点火のためのスパークプラグが用いられている。一般的なスパークプラグは、自身の軸孔内で中心電極を保持した絶縁碍子を、その径方向周囲を取り囲むようにして主体金具で保持し、その主体金具に接合した接地電極と、中心電極との間で火花放電間隙を形成したものである。そして、その火花放電間隙において行われる火花放電によって、混合気への点火が行われる。

　近年、自動車用エンジンの出力向上や省燃費化のためエンジン設計の自由度を確保しようとスパークプラグの小型化や小径化が求められており、主体金具や絶縁碍子の小径化や薄肉化が図られている。その一手段として、従来のスパークプラグの各構成部品をそのままの形状で小型化する手段が考えられるが、単純に小型化するだけでは個々の構成部品の強度の低下を招く虞がある。このため、スパークプラグとしての寸法が限られた中で、互いの構成部品の強度を確保できるように、各構成部品同士、大きさの調整がなされている。

　スパークプラグの小径化に伴い絶縁碍子が薄肉化され、その強度（剛性）が低下すると、絶縁碍子に軸線方向と直交する方向（曲げ方向）への外力が加わった場合にクラックや割れ等が生じ易くなる。曲げ方向の外力は、例えば、エンジンにスパークプラグを取り付ける際に、主体金具の後端より露出する絶縁碍子の後端側胴部（碍子頭部）に取り付け用の工具が衝突した場合に加わる虞がある。また、絶縁碍子の後端には中心電極と電気的に接続された端子金具が露出されているが、エンジンへのスパークプラグの取り付け後において、端子金具には火花放電間隙に電圧を印加するためのリード線に付随するプラグキャップが嵌められる。この状態でスパークプラグがエンジンの駆動に伴う振動を受けると、プラグキャップの重みによる負荷が生じ、絶縁碍子の後端側胴部に曲げ方向の外力が加わる虞がある。

　このように、絶縁碍子の後端側胴部に曲げ方向の外力が加わっても絶縁碍子にクラックや割れ等が生じ難くするには、後端側胴部で外径が最小となる部位（最小外径部）において、その外径および軸孔（中心貫通孔）の内径を規定して肉厚を確保するとよい。さらに、その後端側胴部で外径が最小となる部位の断面係数を規定して、絶縁碍子に、曲げ方向へ働く外力に対する強度を確保することが望ましい（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６－１００２５０号公報

　ところで、絶縁碍子の外周面には外径の異なる部位が設けられており、主体金具による絶縁碍子の保持は、一般に、その部位を加締めにより軸線方向に挟み持つ形態でなされている。つまり絶縁碍子は、主体金具の内孔内で主体金具に支持される形態で保持されている。このため、絶縁碍子の後端側胴部に曲げ方向へ働く外力が加わった場合、その外力を受けた位置を力点とみなすと、主体金具による支持位置のうち絶縁碍子の力点に近い側、すなわち後端側の支持位置が、支点として働く。そして力点に対応する作用点は絶縁碍子の先端側に生ずるが、主体金具による絶縁碍子の先端側の支持位置が、作用点における作用、すなわち絶縁碍子の先端側の移動を規制する働きをなすため、絶縁碍子には、軸線方向における両支持位置間の部位に、外力に応じた負荷が加わる。このため、単に絶縁碍子の後端側胴部の強度（剛性）の向上を図っただけでは、主体金具の内孔内で、絶縁碍子にクラックや割れ等が生じてしまう虞があった。

　本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、主体金具による絶縁碍子の支持位置を基準に絶縁碍子の強度（剛性）のバランスを調整することで、局所的な応力の集中に対する耐力を高め、絶縁碍子にクラックや割れ等が生ずるのを防止することができるスパークプラグを提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、請求項１に係る発明のスパークプラグは、自身の外周面の先端側に段部を有する先端側胴部と、当該先端側胴部の後端側に前記先端側胴部よりも大径の中胴部と、当該中胴部の後端側に肩部を介して形成された前記中胴部よりも小径の後端側胴部とを備え、軸線方向に形成された自身の軸孔の内部で中心電極を保持する絶縁碍子と、内燃機関への取り付けのための工具係合部を備え、この工具係合部より後端側に形成された加締部、および前記工具係合部よりも先端側にて自身の内孔に形成された径方向内向きに突出する棚部の間に、前記絶縁碍子の前記肩部から前記段部までの部位を保持する主体金具と、前記棚部と前記段部との間に介在される環状のパッキンとを備えたスパークプラグであって、前記軸線方向において、前記絶縁碍子の後端の位置をＡ、前記絶縁碍子の先端側から最初に前記絶縁碍子と前記パッキンとが接触する位置をＢ、前記絶縁碍子の後端側から最初に前記絶縁碍子と前記加締部とが接触する位置をＣ、前記位置Ａと前記位置Ｃとの間の長さをＬＡＣ、前記位置Ｂと前記位置Ｃとの間の長さをＬＢＣ、前記位置Ａと前記位置Ｃとの間における任意の位置をＸ、前記位置Ｂと前記位置Ｃとの間における任意の位置をＹ、前記位置Ａと前記位置Ｘとの間の長さをＬＡＸ、前記位置Ｂと前記位置Ｙとの間の長さをＬＢＹ、前記絶縁碍子の前記位置Ｘの部位における断面係数をＺＸ、前記絶縁碍子の前記位置Ｙの部位における断面係数をＺＹ、ＬＡＸ／ＺＸが最大値をとるときの前記位置Ｘの位置をＸｍａｘ、ＬＢＹ／ＺＹが最大値をとるときの前記位置Ｙの位置をＹｍａｘ、前記位置Ａと前記位置Ｘｍａｘとの間の長さをＬＡＸｍａｘ、前記位置Ｂと前記位置Ｙｍａｘとの間の長さをＬＢＹｍａｘ、前記絶縁碍子の前記位置Ｘｍａｘの部位における断面係数をＺＸｍａｘ、前記絶縁碍子の前記位置Ｙｍａｘの部位における断面係数をＺＹｍａｘとし、τＡ＝ＬＡＸｍａｘ／ＺＸｍａｘ、τＢ＝（ＬＡＣ・ＬＢＹｍａｘ）／（ＬＢＣ・ＺＹｍａｘ）としたときに、少なくともτＡまたはτＢのいずれか一方が０．４７以上であると共に、０．７１≦τＡ／τＢ≦１．２７を満たしている。

　また、請求項２に係る発明のスパークプラグは、自身の外周面の先端側に段部を有する先端側胴部と、当該先端側胴部の後端側に前記先端側胴部よりも大径の中胴部と、当該中胴部の後端側に肩部を介して形成された前記中胴部よりも小径の後端側胴部とを備え、軸線方向に形成された自身の軸孔の内部で中心電極を保持する絶縁碍子と、内燃機関への取り付けのための工具係合部を備え、この工具係合部より後端側に形成された加締部、および前記工具係合部よりも先端側にて自身の内孔に形成された径方向内向きに突出する棚部の間に、前記絶縁碍子の前記肩部から前記段部までの部位を保持する主体金具と、前記棚部と前記段部との間に介在される環状の第１パッキンと、前記主体金具の前記加締部と、前記絶縁碍子の前記肩部または前記後端側胴部との間に介在される環状の第２パッキンとを備えたスパークプラグであって、前記軸線方向において、前記絶縁碍子の後端の位置をＡ、前記絶縁碍子の先端側から最初に前記絶縁碍子と前記第１パッキンとが接触する位置をＢ、前記絶縁碍子の後端側から最初に前記絶縁碍子と前記第２パッキンとが接触する位置をＣ、前記位置Ａと前記位置Ｃとの間の長さをＬＡＣ、前記位置Ｂと前記位置Ｃとの間の長さをＬＢＣ、前記位置Ａと前記位置Ｃとの間における任意の位置をＸ、前記位置Ｂと前記位置Ｃとの間における任意の位置をＹ、前記位置Ａと前記位置Ｘとの間の長さをＬＡＸ、前記位置Ｂと前記位置Ｙとの間の長さをＬＢＹ、前記絶縁碍子の前記位置Ｘの部位における断面係数をＺＸ、前記絶縁碍子の前記位置Ｙの部位における断面係数をＺＹ、ＬＡＸ／ＺＸが最大値をとるときの前記位置Ｘの位置をＸｍａｘ、ＬＢＹ／ＺＹが最大値をとるときの前記位置Ｙの位置をＹｍａｘ、前記位置Ａと前記位置Ｘｍａｘとの間の長さをＬＡＸｍａｘ、前記位置Ｂと前記位置Ｙｍａｘとの間の長さをＬＢＹｍａｘ、前記絶縁碍子の前記位置Ｘｍａｘの部位における断面係数をＺＸｍａｘ、前記絶縁碍子の前記位置Ｙｍａｘの部位における断面係数をＺＹｍａｘとし、τＡ＝ＬＡＸｍａｘ／ＺＸｍａｘ、τＢ＝（ＬＡＣ・ＬＢＹｍａｘ）／（ＬＢＣ・ＺＹｍａｘ）としたときに、少なくともτＡまたはτＢのいずれか一方が０．４７以上であると共に、０．７１≦τＡ／τＢ≦１．２７を満たしている。

　また、請求項３に係る発明のスパークプラグは、請求項１または２に記載の発明の構成に加え、前記主体金具は前記工具係合部よりも先端側に、内燃機関への取り付けのためのねじ山が形成された取付ねじ部を備え、当該取付ねじ部の前記ねじ山の呼び径がＭ１０以下である。

　また、請求項４に係る発明のスパークプラグは、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明の構成に加え、前記絶縁碍子の前記後端側胴部の外径がφ８．５ｍｍ以下である。

　請求項１に係る発明のスパークプラグでは、絶縁碍子の大きさや断面係数のバランスを調整することで、局所的な応力の集中に対する耐力を高めることができるので、絶縁碍子の後端側胴部が軸線方向と直交する曲げ方向に外力を受けてもその外力に応じて生ずる応力が内部で分散されて緩和され、その結果、絶縁碍子にクラックや割れ等が生ずるのを防止することができる。より具体的には以下に説明するが、後述するτＡおよびτＢの関係を規定することにより、絶縁碍子の強度（剛性）のバランスの調整を行う。

　絶縁碍子は、主体金具の加締部と、パッキンを介した棚部とによって支持される形態で主体金具の内孔内に保持されている。このため、絶縁碍子の後端側胴部に軸線と直交する曲げ方向に外力を受けた場合に、その外力を受けた位置を力点とみなすと、棚部よりも力点に近い加締部による絶縁碍子の支持位置（加締部が最も後端側にて絶縁碍子に当接する位置Ｃ）が、支点として働くこととなる。そして作用点側は棚部による絶縁碍子の支持位置（パッキンが最も先端側にて絶縁碍子に当接する位置Ｂ）にて移動が規制されるため、力点において受けた外力に応じた応力は、絶縁碍子の位置Ｂと位置Ｃとの間の部位に加わる。

　ここで、絶縁碍子の後端の位置Ａと位置Ｃとの間で最も絶縁碍子の強度（剛性）が低くなる位置Ｘｍａｘを基準に、絶縁碍子の位置Ａと位置Ｃとの間における曲げに対する耐力を示すτＡは、その値が小さいほど高い。また、絶縁碍子の位置Ｂと位置Ｃとの間で最も絶縁碍子の強度（剛性）が低くなる位置Ｙｍａｘを基準に、絶縁碍子の位置Ａと位置Ｃとの間における曲げに応じて位置Ｂと位置Ｃとの間にかかる応力に対する耐力を示すτＢも、その値が小さいほど高い。従って、τＡおよびτＢの値が共に小さく、具体的に、共に０．４７未満であれば、絶縁碍子はもともと曲げに対する十分な耐力を有するため、応力を分散させるための強度のバランスの調整を行う必要がない。

　そこで本発明は、スパークプラグの小型化を図る上で絶縁碍子の小径化を狙い、その絶縁碍子が後端側胴部に曲げ方向の外力を受けた場合に、局部的な応力の集中によってクラックや割れ等が生ずる虞のある絶縁碍子、すなわち、少なくともτＡまたはτＢのいずれか一方が０．４７以上の値である絶縁碍子を対象としている。発明者等によれば、少なくともτＡまたはτＢのいずれか一方が０．４７以上の値である絶縁碍子において、局部的な応力の集中を緩和できるように、強度（剛性）のバランスの調整するためτＡとτＢとの関係（τＡ／τＢ）に着目すると、絶縁碍子にクラックや割れ等が生ずるのを防止するには、０．７１≦τＡ／τＢ≦１．２７を満たすように絶縁碍子の設計を行えばよいことがわかった。

　また、請求項２に係る発明のスパークプラグにおいても、絶縁碍子の大きさや断面係数のバランスを調整することで、局所的な応力の集中に対する耐力が高めることができるので、絶縁碍子の後端側胴部が軸線方向と直交する曲げ方向に外力を受けてもその外力に応じて生ずる応力が内部で分散されて緩和され、その結果、絶縁碍子にクラックや割れ等が生ずるのを防止することができる。より具体的には以下に説明するが、後述するτＡおよびτＢの関係を規定することにより、絶縁碍子の強度（剛性）のバランスの調整を行う。

　請求項２に係る発明のスパークプラグに用いられる絶縁碍子は、主体金具の第２パッキンを介した加締部と、第１パッキンを介した棚部とによって支持される形態で、主体金具の内孔内に保持されている。このため、絶縁碍子の後端側胴部に軸線と直交する曲げ方向に外力を受けた場合に、その外力を受けた位置を力点とみなすと、棚部よりも力点に近い加締部による絶縁碍子の支持位置（第２パッキンが最も後端側にて絶縁碍子に当接する位置Ｃ）が、支点として働くこととなる。そして作用点側は棚部による絶縁碍子の支持位置（第１パッキンが最も先端側にて絶縁碍子に当接する位置Ｂ）にて移動が規制されるため、力点において受けた外力に応じた応力は、絶縁碍子の位置Ｂと位置Ｃとの間の部位に加わる。

　もっとも、絶縁碍子を設計する上で十分な大きさを確保できるのであれば、上記のように本発明の対象外となるτＡおよびτＢが共に０．４７未満を満たす絶縁碍子を作製することは容易である。従って本発明は、絶縁碍子の設計上制約を受けやすい小径のスパークプラグに対し適用することが好ましく、より具体的には、請求項３に係る発明のように、主体金具の取付ねじ部に形成したねじ山の呼び径がＭ１０以下のスパークプラグに対し、本発明を適用することが望ましい。

　また、上記同様、本発明の適用対象として、請求項４に係る発明のように、絶縁碍子の後端側胴部の外径をφ８．５ｍｍ以下とすることが求められる小径のスパークプラグを対象とすることが望ましい。

スパークプラグ１００の縦断面図である。絶縁碍子１０に設定した部位の位置や大きさについて説明するための絶縁碍子１０の断面図である。変形例としてのスパークプラグ２００の部分断面図である。変形例としてのスパークプラグ３００の部分断面図である。変形例としてのスパークプラグ４００の部分断面図である。

符号の説明

６，８　　パッキン
　１０　　絶縁碍子
　１１　　段部
　１２　　軸孔
　１４　　肩部
　１７　　先端側胴部
　１８　　後端側胴部
　１９　　中胴部
　２０　　中心電極
　５０　　主体金具
　５１　　工具係合部
　５２　　取付ねじ部
　５３　　加締部
　５６　　棚部
　５９　　内孔
１００　　スパークプラグ

　以下、本発明を具体化したスパークプラグの一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、図１を参照し、一例としてのスパークプラグ１００の構造について説明する。図１は、スパークプラグ１００の縦断面図である。なお、図１において、絶縁碍子１０の軸線Ｏ方向を図面における上下方向とし、下側をスパークプラグ１００の先端側、上側を後端側として説明する。

　図１に示すように、スパークプラグ１００は、概略、自身の軸孔１２内の先端側に中心電極２０を保持し、後端側に端子金具４０を保持した絶縁碍子１０を有し、さらにその絶縁碍子１０の径方向周囲を主体金具５０で取り囲んで保持した構造を有する。また、主体金具５０の先端部４８には接地電極３０が接合されており、その接地電極３０の先端部３１が中心電極２０の先端部２２へ向けて屈曲され、両者間に火花放電間隙ＧＡＰが形成されている。

　まず、このスパークプラグ１００の絶縁碍子１０について説明する。絶縁碍子１０は周知のようにアルミナ等を焼成して形成された絶縁部材であり、軸線Ｏ方向へ延びる軸孔１２を有する筒状をなす。軸線Ｏ方向の略中央には外径の最も大きな中胴部１９が形成されており、この中胴部１９の後端の肩部１４を介し縮径されて繋がる後端側胴部１８が、軸線Ｏ方向後端側（図１における上側）へ向け延びるように形成されている。なお、肩部１４とは、厳密には中胴部１９の一部位であって、中胴部１９の上部（後端部）において、自身と、自身とは径の異なる後端側胴部１８とを接続する部位である。

　また、中胴部１９より先端側（図１における下側）には後端側胴部１８よりも外径の小さな先端側胴部１７が形成され、更にその先端側胴部１７よりも先端側に、先端側胴部１７よりも外径の小さな脚長部１３が形成されている。脚長部１３は先端側ほど縮径されており、スパークプラグ１００が内燃機関のエンジンヘッド（図示外）に取り付けられた際には、その燃焼室に曝される。この脚長部１３と先端側胴部１７との間は段部１１として段状に形成されている。

　次に、中心電極２０について説明する。中心電極２０は、インコネル（商標名）６００または６０１等のＮｉまたはＮｉを主成分とする合金からなる電極母材２３の内部に、その電極母材２３よりも熱伝導性に優れる銅または銅を主成分とする合金からなる芯材２４を埋設した構造を有する棒状の電極である。絶縁碍子１０の軸孔１２は脚長部１３において縮径されており、中心電極２０はその縮径された部位に配置されて絶縁碍子１０に保持されている。中心電極２０の先端部２２は絶縁碍子１０の先端よりも突出されており、先端側に向かって径小となるように形成されている。そして先端部２２の先端面には、耐火花消耗性を向上するため貴金属からなる電極チップ９０が接合されている。

　また、中心電極２０は軸孔１２内を後端側へ向けて延びており、金属とガラスの混合物からなる導電性のシール体４およびセラミック抵抗３を経由して、軸孔１２の後端側に設けられた端子金具４０と電気的に接続されている。端子金具４０は軸孔１２の後端より外部に露出されており、その露出された部分に高圧ケーブル（図示外）がプラグキャップ（図示外）を介して接続され、中心電極２０に火花放電のための高電圧が印加される。

　次に、主体金具５０について説明する。主体金具５０は、図示外の内燃機関のエンジンヘッドにスパークプラグ１００を固定するための円筒状の金具であり、軸線Ｏ方向に貫通する内孔５９を有する。主体金具５０はこの内孔５９内に、絶縁碍子１０の後端側胴部１８の一部から脚長部１３にかけての部位を取り囲むようにして、絶縁碍子１０を保持している。主体金具５０は鉄系の材料より形成され、図示外のスパークプラグレンチが嵌合する工具係合部５１と、エンジンヘッドの取付孔（図示外）に螺合するねじ山が形成された取付ねじ部５２とを備えている。

　また、主体金具５０の工具係合部５１と取付ねじ部５２との間には、鍔状のシール部５４が形成されている。そして、取付ねじ部５２とシール部５４との間のねじ首４９には、板体を折り曲げて形成した環状のガスケット５が嵌挿されている。ガスケット５は、スパークプラグ１００をエンジンヘッドの取付孔（図示外）に取り付けた際に、シール部５４の座面５５と取付孔の開口周縁との間で押し潰されて変形することで、両者間を封止して取付孔を介したエンジン内の気密漏れを防止するものである。

　主体金具５０の工具係合部５１より後端側には薄肉の加締部５３が設けられ、また、シール部５４と工具係合部５１との間には、加締部５３と同様に薄肉の座屈部５８が設けられている。主体金具５０の内孔５９内で、工具係合部５１から加締部５３にかけての部位と、絶縁碍子１０の肩部１４から後端側胴部１８にかけての部位との間には、円環状のパッキン６，７が介在されている。両パッキン６，７は後端側胴部１８の外周を一周して取り巻いており、両パッキン６，７の間には、タルク（滑石）９の粉末が充填されている。そして加締部５３を加締めることにより、パッキン６，７およびタルク９を介し、絶縁碍子１０が主体金具５０内で先端側に向け押圧される。これにより、主体金具５０の内孔５９で取付ねじ部５２の位置にて内向きに突出するように形成された棚部５６に、環状のパッキン８を介し絶縁碍子１０の段部１１が支持されて、主体金具５０と絶縁碍子１０とが一体となる。このとき、主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性はパッキン８によって保持され、燃焼ガスの流出が防止される。また、座屈部５８は、加締めの際に、圧縮力の付加に伴い外向きに撓み変形するように構成されており、タルク９の軸線Ｏ方向への圧縮長を長くして主体金具５０内の気密性を高めている。なお、パッキン６が、本発明における「第２パッキン」に相当し、パッキン８が、本発明における「第１パッキン」に相当する。

　次に、接地電極３０について説明する。接地電極３０は耐腐食性の高い金属から形成された棒状の電極部材であり、一例として、インコネル（商標名）６００または６０１等のニッケル合金が用いられる。この接地電極３０は自身の長手方向の横断面が略長方形をなしており、延長方向一端側の基部３２が主体金具５０の先端面５７に溶接により接合されている。また、接地電極３０の延長方向他端側の先端部３１は、その一面３３が中心電極２０の先端部２２側を向くように屈曲されている。そして、接地電極３０の先端部３１と、電極チップ９０が設けられた中心電極２０の先端部２２との間で火花放電間隙ＧＡＰが形成されている。

　このような構成の本実施の形態のスパークプラグ１００では、絶縁碍子１０の各部の大きさや断面係数に規定が設けられており、絶縁碍子１０の全体における強度（剛性）のバランスの調整が図られている。以下、図２を参照し、絶縁碍子１０に設けられた規定について説明する。図２は、絶縁碍子１０に設定した部位の位置や大きさについて説明するための絶縁碍子１０の断面図である。

　なお、断面係数については公知であるため、その説明については簡略化するが、一般に、絶縁碍子の軸線方向の任意の位置における外径をＤ１、その位置における軸孔の内径をＤ２としたときに、その位置における絶縁碍子の断面係数Ｚは、以下の式（ａ）により求められることが知られている。
　Ｚ＝（π／３２）×（Ｄ１^４－Ｄ２^４）／Ｄ１　・・・　（ａ）
従って、軸孔の内径Ｄ２の上限値は、上記式（ａ）に基づき外径Ｄ１と断面係数Ｚの値によって定まり、断面係数Ｚの上限値は、上記式（ａ）に基づき外径Ｄ１と軸孔の内径Ｄ２の値によって定まるものである。

　図２に示すように、絶縁碍子１０は、前述したように、後端側胴部１８の一部から脚長部１３にかけての部位が主体金具５０の内孔５９内に収容される形態で、主体金具５０に保持されている。より具体的に、主体金具５０の内孔５９内で、棚部５６に配置されるパッキン８と、工具係合部５１や加締部５３に配置されるパッキン６，７とが、それぞれ、絶縁碍子１０の段部１１と、肩部１４や後端側胴部１８とに当接している。絶縁碍子１０は、これらパッキン６，７，８を介して主体金具５０の内孔５９内で支持された状態で、加締められることにより、主体金具５０に保持されている。

　よって絶縁碍子１０が、その後端側胴部１８に軸線Ｏと直交する方向（曲げ方向）へ働く外力を受けた場合、外力を受けた位置を力点とみなすと、絶縁碍子１０に最も後端側にて当接するパッキン６の配置位置が、支点として働く。そして絶縁碍子１０の先端側が作用点として外力に応じた作用を及ぼすこととなるが、先端側はパッキン８を介して主体金具５０に支持されているため、外力に応じた作用としての移動が規制されている。このため絶縁碍子１０では、後端側胴部１８に曲げ方向への外力を受けると、パッキン６の配置位置からパッキン８の配置位置までの間の部位に、外力に応じた応力による負荷が加わる。

　そこで本実施の形態では、後端側胴部１８に曲げ方向の外力を受けた場合に作用点側に加わる負荷を緩和できるように、軸線Ｏ方向両側において絶縁碍子１０自身の強度（剛性）のバランスを調整するための規定を設けている。図２に示すように、軸線Ｏ方向において、絶縁碍子１０の後端の位置を位置Ａとする。また、絶縁碍子１０の後端側から最初に絶縁碍子１０が主体金具５０に支持される位置、すなわち本実施の形態ではパッキン６の配置位置を、位置Ｃとし、上記した支点とみなす。更に、絶縁碍子１０の先端側から最初に絶縁碍子１０が主体金具５０に支持される位置、すなわちパッキン８の配置位置を、位置Ｂとする。そして、位置Ａと位置Ｃとの間の長さをＬＡＣ、位置Ｂと位置Ｃとの間の長さをＬＢＣとする。

　次に、位置Ａと位置Ｃとの間における任意の位置を、位置Ｘ、位置Ｂと位置Ｃとの間における任意の位置を、位置Ｙとし、位置Ａと位置Ｘとの間の長さをＬＡＸ、位置Ｂと位置Ｙとの間の長さをＬＢＹとする。そして、絶縁碍子１０の位置Ｘの部位における断面係数をＺＸとし、ＬＡＸ／ＺＸを求め、その値が最大値を取るときの位置Ｘの位置を探し、これを位置Ｘｍａｘとする。同様に、絶縁碍子１０の位置Ｙの部位における断面係数をＺＹとし、ＬＢＹ／ＺＹを求め、その値が最大値を取るときの位置Ｙの位置を探し、位置Ｙｍａｘとする。更に、位置Ａと位置Ｘｍａｘとの間の長さをＬＡＸｍａｘとし、位置Ｘｍａｘの部位における絶縁碍子１０の断面係数をＺＸｍａｘとする。同様に、位置Ｂと位置Ｙｍａｘとの間の長さをＬＢＹｍａｘとし、位置Ｙｍａｘの部位における絶縁碍子１０の断面係数をＺＹｍａｘとする。

　そして、
　τＡ＝ＬＡＸｍａｘ／ＺＸｍａｘ　・・・　（１）
　τＢ＝（ＬＡＣ・ＬＢＹｍａｘ）／（ＬＢＣ・ＺＹｍａｘ）　・・・　（２）
と定義する。本実施の形態のスパークプラグ１００では、少なくともτＡまたはτＢのいずれか一方が０．４７以上であると共に、τＡ／τＢを求めたときに、０．７１≦τＡ／τＢ≦１．２７を満たすことを規定している。

　この規定について、以下、詳細に説明する。前述したように、主体金具５０に保持される絶縁碍子１０の後端側胴部１８は、主体金具５０の後端より露出している。この後端側胴部１８に、軸線Ｏと直交する曲げ方向への外力が加わった場合について考える。位置Ａから長さＬＡＸ離れた位置Ｘにおける絶縁碍子１０の曲げモーメントをＭＸとすると、ＭＸ＝Ｆ・ＬＡＸで表される。同様に、位置Ｂから長さＬＢＹ離れた位置における絶縁碍子１０の曲げモーメントＭＹは、ＭＹ＝（ＬＡＣ／ＬＢＣ）・Ｆ・ＬＢＹで表される。更に、位置Ｘの部位における曲げによって発生する絶縁碍子１０の引張張力ＩＸを求めると、
　ＩＸ＝ＭＸ／ＺＸ＝（Ｆ・ＬＡＸ）／ＺＸ・・・（３）
となる。同様に、位置Ｙの部位における曲げによって発生する絶縁碍子１０の引張張力ＩＹを求めると、
　ＩＹ＝ＭＹ／ＺＹ＝｛（ＬＡＣ／ＬＢＣ）・Ｆ・ＬＢＹ｝／ＺＹ＝（ＬＡＣ・Ｆ・ＬＢＹ）／（ＬＢＣ・ＺＹ）・・・（４）
となる。

　ここでＬＡＸ／ＺＸは、位置Ａと位置Ｘとの間の長さが長くなるほど、また、位置Ｘの部位における絶縁碍子１０の断面係数が小さくなるほど、その値が大きくなる。よって、ＬＡＸ／ＺＸが最大値となる位置Ｘｍａｘは、位置Ａから位置Ｃまでの間で最も絶縁碍子１０の強度（剛性）が低くなる場合に位置Ｘの取り得る位置を示している。従って、位置Ａから位置Ｘｍａｘまでの部位の曲げによって発生する絶縁碍子１０の引張張力ＩＸｍａｘは、式（１）および式（３）より、ＩＸｍａｘ＝（Ｆ・ＬＡＸｍａｘ）／ＺＸｍａｘ＝Ｆ・τＡで表すことができる。

　同様にＬＢＹ／ＺＹは、位置Ｂと位置Ｙとの間の長さが長くなるほど、また、位置Ｙの部位における絶縁碍子１０の断面係数が小さくなるほど、その値が大きくなる。よって、ＬＢＹ／ＺＹが最大値となる位置Ｙｍａｘは、位置Ｂから位置Ｃまでの間で最も絶縁碍子１０の強度（剛性）が低くなる場合に位置Ｙの取り得る位置を示している。従って、位置Ｂから位置Ｙｍａｘまでの部位の曲げによって発生する絶縁碍子１０の引張張力ＩＹｍａｘは、式（２）および式（４）より、ＩＹｍａｘ＝（ＬＡＣ・Ｆ・ＬＢＹｍａｘ）／（ＬＢＣ・ＺＹｍａｘ）＝Ｆ・τＢで表すことができる。ここで、Ｆは外力であるので、τＡは、位置Ａと位置Ｃとの間における絶縁碍子１０の曲げに対する耐力を示し、τＢは、絶縁碍子１０の位置Ａと位置Ｃとの間における曲げに応じて位置Ｂと位置Ｃとの間にかかる応力に対する耐力を示す。絶縁碍子１０の設計を行う上ではτＡおよびτＢに着目し、絶縁碍子１０がクラックや割れ等の発生を防止する上で十分な強度（剛性）を得られるように、両者の関係τＡ／τＢを求めればよい。

　まずτＡおよびτＢについて、上記の通り、それぞれ値が小さいほど、絶縁碍子１０の強度（剛性）は高い。従って絶縁碍子１０のτＡおよびτＢが共に０．４７未満である場合には、τＡ／τＢの値に関わらず、絶縁碍子１０が十分な強度（剛性）を得てクラックや割れ等の発生を防止できることが、後述する実施例１の評価試験より確認されている。すなわち、τＡおよびτＢが共に０．４７未満となれば、絶縁碍子１０の各部の大きさや断面係数について厳密にバランスを調整せずとも、絶縁碍子１０はクラックや割れ等を防ぐのに十分な強度を得ることができる。

　一方で、少なくともτＡまたはτＢのいずれか一方が０．４７以上の値となる場合には、絶縁碍子１０が受けた外力に応じて生ずる応力を緩和するには、絶縁碍子１０の各部の大きさや断面係数についてバランスを調整する必要がある。具体的に、τＡ／τＢの値を求めたときに０．７１≦τＡ／τＢ≦１．２７が満たされるように、絶縁碍子１０の各部の大きさや断面係数についてバランスを調整した絶縁碍子１０の設計を行えばよい。このようにすれば、絶縁碍子１０が後端側胴部１８に曲げ方向への外力を受けても、パッキン６の配置位置からパッキン８の配置位置までの間の部位に加わる外力に応じた応力による負荷の影響を緩和し、クラックや割れ等の発生を防止できることが、後述する実施例１の評価試験より確認されている。

　もっとも、絶縁碍子１０を設計する上で、絶縁碍子１０が十分な大きさを確保できるのであれば、上記のようにτＡおよびτＢが共に０．４７未満を満たすことは容易であり、本発明を適用するまでもなく、絶縁碍子１０が十分な強度を得ることが可能である。従って本発明は、小径のスパークプラグ１００に対し、つまり、少なくともτＡまたはτＢのいずれか一方が０．４７以上となり易いスパークプラグ１００に対し適用することが好ましい。より具体的には、主体金具５０の取付ねじ部５２に形成したねじ山の呼び径がＭ１０以下のスパークプラグ１００に本発明を適用するとよい。このような大きさのスパークプラグ１００では、主体金具５０の薄肉化にあたって自身の剛性を確保する上で限界を生ずるため、絶縁碍子１０の外径として確保可能な大きさに制約が生ずる。従って、絶縁碍子１０の断面係数は小さくなりやすく、その結果、τＡやτＢの値が大きな値となりやすい。また、設計上、絶縁碍子１０の後端側胴部１８の外径がφ８．５ｍｍ以下であることが求められるスパークプラグ１００に対しても、上記同様、断面係数が小さくなりやすく、その結果、τＡやτＢの値が大きな値となりやすいことから、本発明を適用することが望ましい。

　なお、本発明は各種の変形が可能なことはいうまでもない。本実施の形態では、主体金具５０で絶縁碍子１０を保持するにあたり、主体金具５０が直接絶縁碍子１０に当接する形態ではなく、パッキン６，７，８を介して主体金具５０で絶縁碍子１０を支持する形態とした。このため、主体金具５０で絶縁碍子１０を支持するにあたり、軸線Ｏ方向において最も後端側にて絶縁碍子１０に当接するものがパッキン６であったため、そのパッキン６が、絶縁碍子１０の後端側胴部１８に曲げ方向の外力が加わった場合の支点として働いた。よって、軸線Ｏ方向におけるパッキン６の配置位置を位置Ｃとしたが、必ずしも位置Ｃをパッキン６の配置位置に限定するわけではない。

　例えば、図３に示す、スパークプラグ２００では、本実施の形態と同様に、パッキン６が絶縁碍子１０の後端側胴部１８に当接しているが、それよりも軸線Ｏ方向後端側（図３における上側）にて主体金具２５０の加締部２５３が後端側胴部１８に当接している。このような形態のスパークプラグ２００の場合、軸線Ｏ方向における後端側から最初に絶縁碍子１０と当接するのが加締部２５３であるため、その加締部２５３が絶縁碍子１０に当接する位置を、位置Ｃとすればよい。

　もちろん、図４に示すように、パッキン６，７やタルク９（図１参照）がなく、主体金具３５０の加締部３５３が、直接、絶縁碍子３１０の肩部３１４に当接して絶縁碍子３１０を支持する形態のスパークプラグ３００であっても同様である。すなわち、軸線Ｏ方向における後端側から最初に絶縁碍子３１０と当接する加締部３５３のその当接位置を、位置Ｃとすればよい。

　また、図５に示す、スパークプラグ４００のように、主体金具４５０の加締部４５３と絶縁碍子４１０との間に介在するパッキン４０６は、後端側胴部４１８に当接させず、肩部４１４に当接させてもよい。位置Ｃについては、本実施の形態と同様であり、軸線Ｏ方向における後端側から最初に絶縁碍子４１０と当接するのがパッキン４０６であるため、そのパッキン４０６が絶縁碍子４１０に当接する位置を、位置Ｃとすればよい。

　このように、絶縁碍子１０の各部の大きさや断面係数についてバランスを調整して絶縁碍子１０を設計すれば、絶縁碍子１０が十分な強度（剛性）を得てクラックや割れ等の発生を防止できることを確認するため、評価試験を行った。

　［実施例１］
　この評価試験では、取付ねじ部のねじ山の呼び径がＭ１０で軸線Ｏ方向の長さが異なる主体金具を数種類用意し、それらの主体金具に組み付け可能な寸法の絶縁碍子を１４分類３９種類、設計した。具体的に、どの絶縁碍子も組み立て後のスパークプラグの寸法で位置Ａと位置Ｃとの間の長さＬＡＣが２６ｍｍとなるように設計を行った。そして、絶縁碍子の位置Ｂと位置Ｃとの間の長さＬＢＣを、組み付け可能な主体金具の種類に合わせ２５～３３ｍｍの範囲で異ならせた。さらに、例えば軸孔の内径を異ならせることにより、絶縁碍子の各部位の肉厚を異ならせ、断面係数ＺＸｍａｘ，ＺＹｍａｘがテストサンプル間で異なる組み合わせとなるように設計した。このように、設計値（ＬＡＣ，ＬＢＣ，ＬＸｍａｘ，ＬＹｍａｘ，ＺＸｍａｘ，ＺＹｍａｘの値）を互いに異ならせた１４分類３９種類の絶縁碍子を各種１０本ずつ作成し、それぞれに対応する主体金具に組み付けて、試験用のスパークプラグのテストサンプルを組み立てた。また、比較用に、位置Ａと位置Ｃとの間の長さＬＡＣが２６ｍｍで、取付ねじ部のねじ山の呼び径がＭ１０より大きなスパークプラグの現行品を２種類、それぞれ１０本ずつ用意した。なお、各テストサンプルや現行品の識別用のサンプル番号については、後述する表１に示す通りである。

　これら３９種のテストサンプルと２種の現行品をそれぞれ１本ずつ、ＪＩＳ　Ｂ８０３１に規定された耐衝撃性試験の試験装置に取り付け、毎分４００回の割合で１２０分間衝撃を加えた後、絶縁碍子にクラックや割れ等の異状が発生したか否か調べた。そして、各種ごとに、１０本中１本でも絶縁碍子に異状が発生した場合、大きさや断面係数のバランスの調整が不十分で、局所的な応力の集中に対する望ましい耐力が得られなかったとして×と評価し、１０本とも異状がなければ、バランスの調整の結果十分な耐力を得ることができたとして○と評価した。この評価試験の結果を表１に示す。なお、各テストサンプルの設計値から、前述した式（１）および式（２）に基づき求めたτＡおよびτＢ、ならびにτＡ／τＢについても表１に記載した。

　表１に示すように、現行品１，現行品２はτＡおよびτＢが共に０．４７未満であり、絶縁碍子の部位によらず十分な耐力があるため、クラックや割れ等が生ずることがなかった。そして、τＡおよびτＢが共に０．４７未満でのテストサンプルＡ－１，Ａ－２，Ｂ－３，Ｃ－３は、現行品と同様に絶縁碍子の部位によらず、曲げに対する十分な耐力があり、τＡ／τＢの値に関わらず、衝撃試験において良好な結果が得られた。一方、上記の他のテストサンプルは、いずれも、τＡまたはτＢのうち、いずれか一方の値もしくは両方の値が、０．４７以上となり、絶縁碍子の部位によっては曲げに対する十分な耐力を得られない虞がある。しかし、それらのテストサンプルのうち、絶縁碍子の大きさや断面係数のバランスを調整してτＡ／τＢが０．７１～１．２７の範囲に収まるようにしたテストサンプルＣ－２，Ｅ－３，Ｆ－３，Ｆ－４，Ｇ－１，Ｇ－２，Ｈ－１，Ｈ－２，Ｋ－３，Ｋ－４，Ｌ－１，Ｌ－２では、衝撃試験において良好な結果が得られた。この評価試験の結果より、少なくともτＡまたはτＢのいずれか一方が０．４７以上の値となって、絶縁碍子の部位によっては曲げに対する十分な耐力を得られない虞があっても、バランスを調整することによって、外部からの衝撃によって生ずる応力を内部で分散させて緩和し、その結果、絶縁碍子にクラックや割れ等が生ずるのを防止することができることがわかった。

　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３月１８日出願の日本特許出願（特願２００８－６９８６５）、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。

Claims

　自身の外周面の先端側に段部を有する先端側胴部と、当該先端側胴部の後端側に前記先端側胴部よりも大径の中胴部と、当該中胴部の後端側に肩部を介して形成された前記中胴部よりも小径の後端側胴部とを備え、軸線方向に形成された自身の軸孔の内部で中心電極を保持する絶縁碍子と、
　内燃機関への取り付けのための工具係合部を備え、この工具係合部より後端側に形成された加締部、および前記工具係合部よりも先端側にて自身の内孔に形成された径方向内向きに突出する棚部の間に、前記絶縁碍子の前記肩部から前記段部までの部位を保持する主体金具と、
　前記棚部と前記段部との間に介在される環状のパッキンと
　を備えたスパークプラグであって、
　前記軸線方向において、
　前記絶縁碍子の後端の位置をＡ、
　前記絶縁碍子の先端側から最初に前記絶縁碍子と前記パッキンとが接触する位置をＢ、
　前記絶縁碍子の後端側から最初に前記絶縁碍子と前記加締部とが接触する位置をＣ、
　前記位置Ａと前記位置Ｃとの間の長さをＬＡＣ、
　前記位置Ｂと前記位置Ｃとの間の長さをＬＢＣ、
　前記位置Ａと前記位置Ｃとの間における任意の位置をＸ、
　前記位置Ｂと前記位置Ｃとの間における任意の位置をＹ、
　前記位置Ａと前記位置Ｘとの間の長さをＬＡＸ、
　前記位置Ｂと前記位置Ｙとの間の長さをＬＢＹ、
　前記絶縁碍子の前記位置Ｘの部位における断面係数をＺＸ、
　前記絶縁碍子の前記位置Ｙの部位における断面係数をＺＹ、
　ＬＡＸ／ＺＸが最大値をとるときの前記位置Ｘの位置をＸｍａｘ、
　ＬＢＹ／ＺＹが最大値をとるときの前記位置Ｙの位置をＹｍａｘ、
　前記位置Ａと前記位置Ｘｍａｘとの間の長さをＬＡＸｍａｘ、
　前記位置Ｂと前記位置Ｙｍａｘとの間の長さをＬＢＹｍａｘ、
　前記絶縁碍子の前記位置Ｘｍａｘの部位における断面係数をＺＸｍａｘ、
　前記絶縁碍子の前記位置Ｙｍａｘの部位における断面係数をＺＹｍａｘ
　とし、
　τＡ＝ＬＡＸｍａｘ／ＺＸｍａｘ、
　τＢ＝（ＬＡＣ・ＬＢＹｍａｘ）／（ＬＢＣ・ＺＹｍａｘ）
　としたときに、
　少なくともτＡまたはτＢのいずれか一方が０．４７以上であると共に、
　０．７１≦τＡ／τＢ≦１．２７を満たすスパークプラグ。
　自身の外周面の先端側に段部を有する先端側胴部と、当該先端側胴部の後端側に前記先端側胴部よりも大径の中胴部と、当該中胴部の後端側に肩部を介して形成された前記中胴部よりも小径の後端側胴部とを備え、軸線方向に形成された自身の軸孔の内部で中心電極を保持する絶縁碍子と、
　内燃機関への取り付けのための工具係合部を備え、この工具係合部より後端側に形成された加締部、および前記工具係合部よりも先端側にて自身の内孔に形成された径方向内向きに突出する棚部の間に、前記絶縁碍子の前記肩部から前記段部までの部位を保持する主体金具と、
　前記棚部と前記段部との間に介在される環状の第１パッキンと、
　前記主体金具の前記加締部と、前記絶縁碍子の前記肩部または前記後端側胴部との間に介在される環状の第２パッキンと
　を備えたスパークプラグであって、
　前記軸線方向において、
　前記絶縁碍子の後端の位置をＡ、
　前記絶縁碍子の先端側から最初に前記絶縁碍子と前記第１パッキンとが接触する位置をＢ、
　前記絶縁碍子の後端側から最初に前記絶縁碍子と前記第２パッキンとが接触する位置をＣ、
　前記位置Ａと前記位置Ｃとの間の長さをＬＡＣ、
　前記位置Ｂと前記位置Ｃとの間の長さをＬＢＣ、
　前記位置Ａと前記位置Ｃとの間における任意の位置をＸ、
　前記位置Ｂと前記位置Ｃとの間における任意の位置をＹ、
　前記位置Ａと前記位置Ｘとの間の長さをＬＡＸ、
　前記位置Ｂと前記位置Ｙとの間の長さをＬＢＹ、
　前記絶縁碍子の前記位置Ｘの部位における断面係数をＺＸ、
　前記絶縁碍子の前記位置Ｙの部位における断面係数をＺＹ、
　ＬＡＸ／ＺＸが最大値をとるときの前記位置Ｘの位置をＸｍａｘ、
　ＬＢＹ／ＺＹが最大値をとるときの前記位置Ｙの位置をＹｍａｘ、
　前記位置Ａと前記位置Ｘｍａｘとの間の長さをＬＡＸｍａｘ、
　前記位置Ｂと前記位置Ｙｍａｘとの間の長さをＬＢＹｍａｘ、
　前記絶縁碍子の前記位置Ｘｍａｘの部位における断面係数をＺＸｍａｘ、
　前記絶縁碍子の前記位置Ｙｍａｘの部位における断面係数をＺＹｍａｘ
　とし、
　τＡ＝ＬＡＸｍａｘ／ＺＸｍａｘ、
　τＢ＝（ＬＡＣ・ＬＢＹｍａｘ）／（ＬＢＣ・ＺＹｍａｘ）
　としたときに、
　少なくともτＡまたはτＢのいずれか一方が０．４７以上であると共に、
　０．７１≦τＡ／τＢ≦１．２７を満たすスパークプラグ。
　前記主体金具は前記工具係合部よりも先端側に、内燃機関への取り付けのためのねじ山が形成された取付ねじ部を備え、
　当該取付ねじ部の前記ねじ山の呼び径がＭ１０以下である請求項１または２に記載のスパークプラグ。
　前記絶縁碍子の前記後端側胴部の外径がφ８．５ｍｍ以下である請求項１乃至３のいずれかに記載のスパークプラグ。