JP2012038745A - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べて小径化を図ることができるとともに、結合部分の十分な信頼性を容易に確保することのできるスパークプラグを提供する。
【解決手段】主体金具１と、絶縁碍子２との間には、環状に形成された環状部材９が配置される。この環状部材９は、後端側に配置された第１の環状部９５と、この第１の環状部９５より先端側に配置され、第１の環状部９５よりも内径及び外径の大きな第２の環状部９６が連結された形状を有している。第１の環状部９５は、圧入保持部９０に絶縁碍子２が圧入されることによって、絶縁碍子２と固定されており、第２の環状部９６は、溶接部９１において主体金具１に溶接されて固定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車用エンジン等の内燃機関に使用されるスパークプラグに関する。

従来から、スパークプラグとして、中心電極と、この中心電極を保持する絶縁碍子と、先端部に接地電極を備えた主体金具とを備え、主体金具内に絶縁碍子が支持固定された構造のものが知られている。このようなスパークプラグでは、筒状に形成された主体金具内に絶縁碍子の大径の鍔状の部位を挿入し、主体金具の一方の端部を加締めて絶縁碍子の鍔状の部位を軸線方向に押圧することによって主体金具内に絶縁碍子に支持固定する構造とすることが一般的である（例えば、特許文献１参照。）。

上記構造のスパークプラグでは、主体金具の加締め部を加締めて係合させるために、絶縁碍子に鍔状の部位を形成する必要がある。この鍔状の部位が大径であるため小径化の妨げとなっている。そこで、絶縁碍子を主体金具に、焼き嵌め等によって支持固定するようにしたスパークプラグも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００２−１６４１４７号公報 特開２００２−１５８０７８号公報

上記の従来技術のうち、主体金具と絶縁碍子とを加締めによって固定したスパークプラグでは、十分な固着強度を確保することができ、信頼性も高いが、小径化することが困難である。また、焼き嵌め等によって主体金具と絶縁碍子とを固定したスパークプラグでは、小径化することは可能であるが、主体金具の内径等の高い寸法精度が要求されるため加工精度を高度に維持する必要があり、かつ、その材質も限定される。このため結合部分の十分な信頼性を確保することが困難であり、未だ実用化されるには至っていない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。本発明は、従来に比べて小径化を図ることができるとともに、結合部分の十分な信頼性を容易に確保することのできるスパークプラグを提供することを目的とする。

本発明のスパークプラグは、軸線方向に延在する中心電極と、該中心電極を保持する円筒状の絶縁碍子と、先端部に接地電極を備えた円筒状の主体金具とを具備したスパークプラグであって、前記絶縁碍子の外周面に嵌合されるとともに、前記主体金具と固定される環状部材を具備し、当該環状部材を介して前記主体金具に前記絶縁碍子が保持されていることを特徴とする。

本発明のスパークプラグにおいては、絶縁碍子の外周面に嵌合されるとともに、主体金具と溶接等によって固定される環状部材を具備し、当該環状部材を介して主体金具に絶縁碍子が保持されている。これによって、従来のように主体金具の加締め部を係合させるための大径の鍔状の部位を絶縁碍子に設ける必要がなく、絶縁碍子がこのような大径部を有しないためスパークプラグの最大径が従来に比べて小さくなる。また、高度な精度が要求されるとともに、その材質が限定される絶縁碍子との嵌合部分を、環状部材に設けている。このため、主体金具については、材質の限定や高度な精度が要求されず、従来と同様に製造することができる。そして、主体金具に比べて小型で構造も単純な環状部材を、所定の材料を用いて精度良く製造すれば良いので、結合部分の十分な信頼性を容易に確保することができる。

本発明のスパークプラグにおいて、環状部材が、溶接部において主体金具と固定されている場合、この溶接部と、絶縁碍子が圧入されることによって嵌合される圧入保持部とを、軸線方向に離間して設ける構成とするか、溶接部を、圧入保持部の軸線方向端部に位置するように設けることが好ましい。これによって、溶接による熱によって圧入保持部に焼きが入って硬くなってしまうことを防止することができる。

また、環状部材は、ビッカース硬度が、１８０〜５００の範囲内とすることが好ましい。この範囲よりビッカース硬度が低いと、十分な嵌合強度が得られず絶縁碍子が抜けてしまう場合がある。一方、この範囲よりビッカース硬度が高いと、絶縁碍子を圧入した際に環状部材に割れが生じる場合がある。

また、環状部材には、その軸線方向後端部が径方向内側に突出する突出部を設けることが好ましい。このような突出部を設けることによって、仮に圧入保持部が緩んだ場合においても、絶縁碍子が主体金具から完全に抜けてしまうような事態が発生することを防止できる。この突出部の突出長さは、０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲とすることが好ましい。突出長さが０．１ｍｍ未満の場合、絶縁碍子の抜け防止の効果が不十分となる。一方、突出長さを１ｍｍより大きくすると、スパークプラグ全体が大径化し、小径化の要求を満たすことができなくなる。

また、環状部材の前記絶縁碍子が圧入されることによって嵌合される圧入保持部の軸方向長さＡと、当該圧入保持部の径方向の厚さＢとの比（Ａ／Ｂ）が１以上とすることが好ましい。この比が１未満になると、絶縁碍子に応力が集中し、絶縁碍子に割れ等が生じる可能性が大きくなる。

環状部材の具体的な構造としては、第１の環状部と、この第１の環状部よりも内径及び外径の大きな第２の環状部が連結された形状を有し、前記第１の環状部は前記絶縁碍子の外周面に嵌合され、前記第２の環状部が前記主体金具に固定されている構造とすることができる。このような構造を採用することによって、絶縁碍子に対する嵌合部と、主体金具との溶接部等とを軸線方向に離間させることができ、前記したように溶接時に嵌合部に焼きが入ることを防止できる。また、環状部材の構造が単純なためその製造も容易となる。

環状部材に圧入される絶縁碍子は、直径１０．５ｍｍ以下とすることが好ましい。このように、小径の絶縁碍子を用いることによって、スパークプラグ全体の径を小径化することができる。

また、環状部材と絶縁碍子の熱膨張率の差、及び環状部材と主体金具の熱膨張率の差は、８ｐｐｍ／℃以下とすることが好ましい。熱膨張率の差が８ｐｐｍ／℃より大きくなると、温度の変動によって圧入保持部における気密性が損なわれる可能性が生じるが、熱膨張率の差を８ｐｐｍ／℃以下とすることによって、気密性が損なわれることを防止することができる。

本発明のスパークプラグによれば、従来に比べて小径化を図ることができるとともに、結合部分の十分な信頼性を容易に確保することのできるスパークプラグを提供することができる。

本発明の実施形態に係るスパークプラグの圧入前の状態を示す図。 図１のスパークプラグの要部構成を拡大して示す図。 他の実施形態に係るスパークプラグの要部構成を拡大して示す図。 他の実施形態に係るスパークプラグの要部構成を拡大して示す図。 他の実施形態に係るスパークプラグの要部構成を拡大して示す図。 他の実施形態に係るスパークプラグの要部構成を拡大して示す図。 他の実施形態に係るスパークプラグの要部構成を拡大して示す図。 他の実施形態に係るスパークプラグの要部構成を拡大して示す図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係るスパークプラグ１００の絶縁碍子を主体金具へ組み付ける前の状態を示しており、図２には、組み付け後の要部を拡大して示すものである。

図１に示すように、スパークプラグ１００は、略円筒状の主体金具１と、先端部が突出するようにその主体金具１内に嵌め込まれる略円筒状の絶縁碍子２を備えている。絶縁碍子２内の中心部分にはその軸方向に沿って中心電極３が配置されており、中心電極３の先端部は絶縁碍子２の先端面から突出した状態となっている。主体金具１の先端側には、接地電極１０が設けられている。この接地電極１０は、一端が主体金具１に結合され、他端側は、主体金具１と絶縁碍子２とを組み立てた後にＬ字状に折り曲げられ、これによって、接地電極１０と中心電極３の間に所定間隔の火花放電ギャップが形成された状態で、中心電極３の先端部と対向するように配置される。なお、図１は、接地電極１０をＬ字状に折り曲げる前の状態を示している。

絶縁碍子２は、例えばアルミナ等のセラミック焼結体により略円筒状に構成され、その内部には自身の軸方向に沿って中心電極３を挿通させるための貫通孔を有している。そして、貫通孔の一方の端部側に端子金具４が挿入・固定され、同じく他方の端部側に中心電極３が挿入・固定されている。また、該貫通孔内において端子金具４と中心電極３との間に抵抗体１１が配置されている。この抵抗体１１の両端部は、導電性ガラスシール層を介して中心電極３と端子金具４とにそれぞれ電気的に接続されている。

主体金具１は、炭素鋼やステンレス鋼等の金属、例えば、Ｓ３５Ｃ、Ｓ４５Ｃ、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ６３０等により円筒状に形成されており、スパークプラグ１００のハウジングを構成するとともに、その先端側（図中下側）の外周面には、スパークプラグ１００を図示しないエンジンのプラグ取付孔に取り付けるためのねじ部７が形成されている。このねじ部７より後端側の外周部には、スパークプラグ１００をエンジンのプラグ取付孔に取り付ける際に、スパナやレンチ等の工具を係合させる工具係合部８が設けられている。

上記の主体金具１と、絶縁碍子２との間には、例えば、上記した主体金具１と同様な金属、Ｓ３５Ｃ、Ｓ４５Ｃ、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ６３０等により環状に形成された環状部材９が配置される。この環状部材９は、図２にも示すとおり、後端側（図中上側）に配置された第１の環状部９５と、この第１の環状部９５より先端側（図中下側）に配置され、第１の環状部９５よりも内径及び外径の大きな第２の環状部９６が、それぞれの環状部９５，９６よりも細い連結部により連結された形状を有している。そして、第１の環状部９５は、圧入保持部９０に絶縁碍子２が圧入されることによって、絶縁碍子２と固定されており、第２の環状部９６は、溶接部９１において主体金具１に溶接されて固定されている。なお、主体金具１、絶縁碍子２、環状部材９は、環状部材９に絶縁碍子２を圧入した後、主体金具１内に絶縁碍子２及び環状部材９を挿入して、環状部材９と主体金具１とを溶接する方法か、または、環状部材９を主体金具１に溶接した後、環状部材９に絶縁碍子２を圧入する方法のいずれかによって組み立てられる。また、環状部材９と主体金具１との固定は、溶接による接合に限定されるものではなく、接着やろう付け、圧入等によるものでも良い。

一方、絶縁碍子２は、先端側から順に小径部２１、中径部２２、大径部２３とされている。そして、大径部２３の中径部２２側端部には、所定角度のテーパーが形成され、環状部材９に圧入するための圧入導入部２４とされている。この圧入導入部２４のテーパー角度は、１〜５度程度とすることが好ましく、２〜４度程度とすることがさらに好ましい。この絶縁碍子２としては、環状部材９に圧入される大径部２３の直径が１０．５ｍｍ以下のものを使用することが好ましい。このように、小径の絶縁碍子２を用いることによって、スパークプラグ１００全体の径を小径化することができる。

上記のように、本実施形態では、環状部材９に、絶縁碍子２を圧入して嵌合保持する構成となっているので、従来のように主体金具の加締め部を係合させるための大径の鍔状の部位を絶縁碍子２に設ける必要がなく、スパークプラグ１００の最大径を小さくすることができる。これによって、エンジンに設けるスパークプラグ１００用のプラグ取付孔の径を小さくすることができ、エンジン設計における自由度を高めることができる。また、高度な精度が要求されるとともに、その材質が限定される絶縁碍子２との圧入保持部９０を、環状部材９に設けているので、主体金具１については、材質の限定や高度な精度が要求されず、従来と同様に製造することができる。そして、主体金具１に比べて小型で構造も単純な環状部材９を、所定の材料を用いて精度良く製造すれば良いので、圧入部分の十分な信頼性を容易に確保することができる。

また、環状部材９を工具係合部８よりも後端側に設けることにより、工具係合部８に工具を係合させてスパークプラグ１００をエンジンに締め付けた際などに、環状部材９にねじれトルクや軸力が加わることを防止でき、環状部材９における結合部分（嵌合保持）の信頼性を向上させることができる。すなわち、スパークプラグ１００のエンジンへの取り付け、取り外しを繰り返して何度も行ったとしても、環状部材９にねじれトルクや軸力が加わらないので、絶縁碍子２との結合状態に緩み等が生じることがない。また、主体金具１の後端側で絶縁碍子２を支持することにより、絶縁碍子２が振動した際の振動周波数を高めることができ、耐振動性を向上させることができる。

更に、環状部材９を後端側に設けることで絶縁碍子２の大径部２３側で嵌合することができる。大径部２３は他の部位に比べて厚肉に構成することができ、絶縁碍子２の破壊荷重が小／中径部と比べて高く、そのため嵌合力を強めに設計しても、絶縁碍子２が破壊、損傷することを防ぐことができる。また、エンジンで使用したときに、比較的低温となるため気密漏れ等の不具合が生じにくい。

上記のように、環状部材９が、溶接部９１によって主体金具１と固定されている場合、この溶接部９１と、絶縁碍子２が圧入された圧入保持部９０とを、軸線方向に離間して設ける構成とするか、溶接部９１を、圧入保持部９０の軸線方向端部に位置するように設けることが好ましい。これによって、溶接による熱によって圧入保持部９０に焼きが入って硬くなってしまうことを防止することができる。

また、環状部材９は、ビッカース硬度が、１８０〜５００の範囲内とすることが好ましい。これは、実際にビッカース硬度の異なる複数種の環状部材９を製作して実際に絶縁碍子２を圧入する試験を行った結果による。この試験の結果、上記の範囲よりビッカース硬度が低い場合、例えばビッカース硬度が１００の場合、十分な嵌合強度が得られず絶縁碍子２が抜けてしまう場合があった。一方、この範囲よりビッカース硬度が高い場合、例えばビッカース硬度が５５０の場合、絶縁碍子２を圧入した際に環状部材９に割れが生じる場合があった。これに対して、ビッカース硬度が１８０，２００，５００の場合は、抜けや割れが生じることなく良好な結果が得られた。この結果を表１に示す。

また、図２に示す環状部材９の絶縁碍子２が圧入された圧入保持部９０の軸方向長さＡと、径方向の厚さＢとの比（Ａ／Ｂ）は、１以上とすることが好ましい。この比が１未満になると、絶縁碍子２に応力が集中し、絶縁碍子２に割れ等が生じる可能性が大きくなる。

また、環状部材９と絶縁碍子２の熱膨張率の差、及び環状部材９と主体金具１の熱膨張率の差は、８ｐｐｍ／℃以下とすることが好ましい。熱膨張率の差が８ｐｐｍ／℃より大きくなると、温度の変動によって圧入保持部９０における気密性が損なわれる可能性が生じるが、熱膨張率の差を８ｐｐｍ／℃以下とすることによって、気密性が損なわれることを防止することができる。絶縁碍子２がアルミナの場合、熱膨張率は７．８ｐｐｍ／℃である。この場合、環状部材９としては、例えば、炭素鋼（１２ｐｐｍ／℃）、ＳＵＳ３０４（１５ｐｐｍ／℃）、インバー（４ｐｐｍ／℃）を用いることができる。また、環状部材９に、上記炭素鋼、ＳＵＳ３０４を用いた場合は、主体金具１に、これらのいずれも用いることができる。一方、環状部材９にインバーを使用した場合、主体金具１にインバーを使用することができるが、炭素鋼、ＳＵＳ３０４を用いることはできない。

また、本実施形態のスパークプラグでは、嵌合部分の信頼性を高める、すなわち抜け荷重を高くする必要があるが、この抜け荷重を高くすればするほど、圧入荷重も高くなってしまう。このようなときには、圧入時に潤滑材を使用することで嵌合部の信頼性を高く保ったまま、圧入荷重を少なくすることができる。この場合、圧入後に熱処理を行うことで抜け荷重が増大する。これは、熱処理によって潤滑材が分解され潤滑効果がなくなるためと、嵌合部の接触状態が熱処理前では点接触の状態にあるが、点接触部には局所的に高面圧が掛かっており、この状態に熱を与えることで環状部材が軟化、そして塑性変形することで接触状態が点から面接触へと変化し、嵌合部の真の接触面積が増大するための２つの効果によると考えられる。このような潤滑材としては、例えばパスキンＭ３０（商品名）、セロゾール（商品名）等を使用することができる。

熱処理は、例えば温度３００℃で１５分程度行うことが好ましい。このような圧入後の熱処理を行わなかった場合、圧入荷重と抜け荷重は略同一となる。ところが、上記のような熱処理を行うことにより、圧入荷重に比べて抜け荷重を大きくすることができる。

さらに、環状部材９は、圧入保持部９０と絶縁碍子２の外側との間で、必要とされる気密性が確保できるようになっている。このように、スパークプラグ１００では、圧入保持部９０において気密性を確保するようになっているので、従来のように気密性を確保するためのシールとなるタルク粉末等を充填する必要がなく、このため構造を簡易化することができる。

図３は、他の実施形態のスパークプラグ１０１の要部構成を示すものである。このスパークプラグ１０１では、絶縁碍子２に、先端側が小径となる段部２５が形成されており、環状部材９０１は、この段部２５にその頂部が係止されるように配置され、一方主体金具１の頂部は、内側に向けて加締められた加締め部１２とされている。このような構成とすれば、仮に圧入保持部９０が緩んだり、溶接部９１の溶接具合が不良となった場合においても、絶縁碍子２が主体金具１から完全に抜けてしまうような事態が発生することを防止できる。

図４は、他の実施形態のスパークプラグ１０２の要部構成を示すものである。このスパークプラグ１０２では、絶縁碍子２の後端側に小径部２６が形成されており、環状部材９０２の頂部には、径方向内側に突出する突出部９２が設けられている。このような突出部９２を設けることによって、仮に圧入保持部９０が緩んだ場合においても、絶縁碍子２が主体金具１から完全に抜けてしまうような事態が発生することを防止できる。この突出部９２の突出長さは、０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲とすることが好ましい。突出長さが０．１ｍｍ未満の場合、絶縁碍子２の抜け防止の効果が不十分となる。一方、突出長さを１ｍｍより大きくすると、スパークプラグ１０２全体が大径化し、小径化の要求を満たすことができなくなる。

図５は、他の実施形態のスパークプラグ１０３要部構成を示すものである。このスパークプラグ１０３では、環状部材９０３の圧入保持部９０よりも先端側で、主体金具１の工具係合部８より先端側に溶接部９１が設けられている。このように、溶接部９１の位置は、工具係合部８より後端側に限られるものではない。さらに、図６〜８に示す他の実施形態のスパークプラグ１０４〜１０６のように、環状部材９０４〜９０６の形状は、どのようにしても良い。但しこの場合においても、溶接部９１と、圧入保持部９０とを、軸線方向に離間して設ける構成とするか、溶接部９１を、圧入保持部９０の軸線方向端部に位置するように設けることが好ましい。これによって、溶接により圧入保持部９０に焼きが入って硬くなってしまうことを防止することができる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。例えば、本実施形態に記載したＬ字形状の接地電極１０の他、複数の接地電極を組み合わせたもの、さらには一般に沿面放電タイプと呼ばれるもののひとつである主体金具の先端部が火花放電電極を兼ねるタイプであってもよい。

１……主体金具、２……絶縁碍子、３……中心電極、７……ねじ部、８……工具係合部、９……環状部材、１０……接地電極、１００……スパークプラグ。

本発明のスパークプラグは、軸線方向に延在する中心電極と、該中心電極を保持する円筒状の絶縁碍子と、先端部に接地電極を備えた円筒状の主体金具とを具備したスパークプラグであって、前記絶縁碍子の貫通孔に挿入、固定され、前記中心電極と導電性ガラスシール層を介して電気的に接続される端子金具とを具備し、前記絶縁碍子の外周面に嵌合されるとともに、前記主体金具と固定される環状部材を具備し、当該環状部材を介して前記主体金具に前記絶縁碍子が保持されており、前記環状部材は、前記主体金具と溶接にて固定された溶接部と、前記絶縁碍子が圧入されることによって嵌合される圧入保持部とを具備することを特徴とする。

Claims (10)

1. 軸線方向に延在する中心電極と、該中心電極を保持する円筒状の絶縁碍子と、先端部に接地電極を備えた円筒状の主体金具とを具備したスパークプラグであって、
   前記絶縁碍子の外周面に嵌合されるとともに、前記主体金具と固定される環状部材を具備し、当該環状部材を介して前記主体金具に前記絶縁碍子が保持されていることを特徴とするスパークプラグ。
2. 請求項１記載のスパークプラグにおいて、
   前記環状部材は、前記主体金具と溶接にて固定された溶接部と、前記絶縁碍子が圧入されることによって嵌合される圧入保持部とを具備し、
   前記溶接部と前記圧入保持部とは、軸線方向に離間して設けられていることを特徴とするスパークプラグ。
3. 請求項１記載のスパークプラグにおいて、
   前記環状部材は、前記主体金具と溶接にて固定された溶接部と、前記絶縁碍子が圧入されることによって嵌合される圧入保持部とを具備し、
   前記溶接部は、前記圧入保持部の軸線方向端部に位置するように設けられていることを特徴とするスパークプラグ。
4. 請求項２又は３記載のスパークプラグにおいて、
   前記環状部材のビッカース硬度が、１８０〜５００の範囲内とれていることを特徴とするスパークプラグ。
5. 請求項１〜４いずれか１項記載のスパークプラグにおいて、
   前記環状部材の軸線方向後端部が径方向内側に突出する突出部を具備していることを特徴とするスパークプラグ。
6. 請求項５記載のスパークプラグにおいて、
   前記突出部の突出長さが０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲であることを特徴とするスパークプラグ。
7. 請求項１〜６いずれか１項記載のスパークプラグにおいて、
   前記環状部材の前記絶縁碍子が圧入されることによって嵌合される圧入保持部の軸方向長さＡと、当該圧入保持部の径方向の厚さＢとの比（Ａ／Ｂ）が１以上とされていることを特徴とするスパークプラグ。
8. 請求項１〜７いずれか１項記載のスパークプラグにおいて、
   前記環状部材は、第１の環状部と、この第１の環状部よりも内径及び外径の大きな第２の環状部が連結された形状を有し、前記第１の環状部は前記絶縁碍子の外周面に嵌合され、前記第２の環状部が前記主体金具に固定されていることを特徴とするスパークプラグ。
9. 請求項１〜８いずれか１項記載のスパークプラグにおいて、
   前記環状部材が、直径１０．５ｍｍ以下の前記絶縁碍子の部分に嵌合されていることを特徴とするスパークプラグ。
10. 請求項１〜９いずれか１項記載のスパークプラグにおいて、
    前記環状部材と前記絶縁碍子の熱膨張率の差、及び前記環状部材と前記主体金具の熱膨張率の差が８ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とするスパークプラグ。

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