JP2007059078A - スパークプラグ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べて小型化を図ることができるとともに、耐振動性や結合部分の十分な信頼性を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は、略円筒状に形成されており、その先端側の外周面には、ねじ部７が形成され、このねじ部７より後端側の外周部には、工具係合部８が設けられている。この工具係合部８よりさらに後端側に嵌合部９が設けられ、この嵌合部９に、略円筒状に構成され、その内部に中心電極３が嵌め込まれた絶縁碍子２が圧入され保持されている。主体金具１は、ビッカース硬度が１８０〜５００の範囲内とされている。
【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及びその製造方法に関する。

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機関取り付けのための工具係合部を有する主体金具とを備え、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を挿入し、主体金具の一方の端部を加締め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、絶縁碍子にフランジ状の大径部を形成する必要がある。このためスパークプラグの最大径を細くすることができない。そこで、絶縁碍子を主体金具に、溶接結合、接着結合、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

上記の従来技術において、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、小型化することが困難である。また、溶接結合、接着結合、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、小型化することは可能であるが、結合部分の十分な信頼性を確保することが困難であるため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、従来に比べて小型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機関取り付けのための工具係合部を有する円筒状の主体金具と、を備えたスパークプラグであって、前記主体金具の嵌合部にて、圧入によって前記絶縁碍子が保持され、前記主体金具の少なくとも前記嵌合部のビッカース硬度が１８０〜５００の範囲内であ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、主体金具の嵌合部にて、圧入によって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部位を絶縁碍子に設ける必要がなく、スパークプラグの最大径を細くすることができる。また、主体金具の少なくとも前記嵌合部のビッカース硬度が１８０〜５００の範囲内となっている。これによって十分な抜け荷重と気密性とを確保することができる。

前記主体金具の前記嵌合部の最小肉厚は、０．２５ｍｍ以上とすることが好ましい。これより肉厚が薄いと、製造性が悪くなる。また、前記主体金具の前記嵌合部との嵌合部分の前記絶縁碍子の肉厚は、１ｍｍ以上とすることが好ましい。これは、脆性材料である絶縁碍子は、嵌合によって締め付ける力が作用し、破壊する恐れがあるためである。このような破壊が生じることを肉厚を１ｍｍ以上とすることによって防止できる。

また、前記絶縁碍子を前記主体金具の前記嵌合部から引き抜いた後の前記絶縁碍子の外形をｄ１、前記嵌合部の内径をｄ２とした時、ｄ１−ｄ２の値（抜き後の嵌合代）を、６μｍ〜２００μｍの範囲内とすることが好ましい。一般に絶縁碍子はアルミナからなりその熱膨張は６〜８×１０^−６／℃である。主体金具は、Ｆｅを主成分とする合金からなりその熱膨張は１０〜１７×１０^−６／℃である。嵌合径は、３．５〜１５ｍｍであり、嵌合部分の温度は最大で２５０℃程度である。これらから、一般に組み合わされる中で必要な嵌合代が最小となるのは、アルミナ８×１０^−６／℃、主体金具１０×１０^−６／℃、嵌合径３．５ｍｍの場合であり、最高温度２５０℃として、必要な嵌合代は２μｍである。また、最大となるのは、アルミナ６×１０^−６／℃、主体金具１７×１０^−６／℃、嵌合径１５ｍｍの場合であり、最高温度２５０℃として、必要な嵌合代は４１μｍである。これは必要最小限の値で、安全率を３とすれば、最小の嵌合代は６μｍ、最大の嵌合代は１２３μｍとなる。嵌合代が１２３μｍ以上あっても安全率が増すので問題がないが、例えば、２００μｍより大きい場合絶縁碍子に負担がかかる。このため、ｄ１−ｄ２の値（抜き後の嵌合代）は、６μｍ〜２００μｍの範囲内とすることが好ましい。

また、本発明のスパークプラグの製造方法は、上記のスパークプラグの製造方法において、前記絶縁碍子を前記主体金具の前記嵌合部に圧入する前の前記絶縁碍子の外形をＤ１、前記嵌合部の内径をＤ２とした時、Ｄ１−Ｄ２の値が、６μｍ〜３００μｍの範囲内であることを特徴とする。必要な最低嵌合代は、上記したように６μｍである。また、初期の嵌合代が３００μｍを超えると、圧入荷重が高くなり、絶縁碍子が割れる可能性がある。このため、Ｄ１−Ｄ２の値（初期の嵌合代）は、６μｍ〜３００μｍの範囲内とすることが好ましい。

本発明のスパークプラグによれば、従来に比べて小型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。

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に絶縁碍子を主体金具へ組み付ける前の状態を示し、図２に組み付け後の本発明の実施形態に係るスパークプラグを示す。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から突出した状態となっている。そして、この中心電極３の先端部と対向するように、接地電極１０が配置される。この接地電極１０は、一端が主体金具１に結合され、接地電極と中心電極３の間には所定間隔の火花放電ギャップが形成される。

絶縁碍子２は、アルミナあるいは窒化アルミニウム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を嵌め込む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、ビッカース硬度（ＪＩＳ Ｚ２２４４（１９８８）に規定の方法により荷重１０Ｎにて測定した値）が１８０〜５００の範囲内の金属、例えば、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ６３０、Ｓ４５Ｃ、Ｓ３５Ｃ、ＳＮＣＭ４３９等の金属により円筒状に形成されている。この主体金具１は、スパークプラグ１００のハウジングを構成するとともに、その先端側の外周面には、スパークプラグ１００を図示しないエンジンブロック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、主体金具１をエンジンブロックに取り付ける際に、スパナやレンチ等の工具を係合させるための工具係合部８が設けられている。そして、この工具係合部８よりさらに後端側には、嵌合部９が設けられている。なお、このビッカース硬度は、スパークプラグ１００の完成時としての値であり、主体金具１の作製過程での加工硬化や成形後に、焼入れ、焼鈍し等の処理を行って調整してもよい。硬度の測定は、スパークプラグ１００を分解して行えばよい。

嵌合部９は、絶縁碍子２を嵌合保持するためのものであり、本実施形態においてこの嵌合部９は、絶縁碍子２を圧入することによって、径方向に嵌合保持するようになっている。このように、嵌合部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をエンジンブロックに締め付けた際などに、嵌合部９にねじれトルクや軸力が加わることを防止でき、嵌合部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のエンジンブロックへの取り付け、取り外しを繰り返して何度も行ったとしても、嵌合部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。

また、上記のような嵌合部９を、例えばねじ部７の部分に設けたとすると、絶縁碍子２の圧入によってねじ部７が膨らみ、ねじ精度が低下する可能性があるが、本実施形態のように、工具係合部８よりも後端側に設けることにより、このような不具合が生じることを防止することができる。更に、一般に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。大径部は肉厚であるために絶縁碍子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への負担が軽減できる。また、エンジンでの使用を考えた場合、比較的低温部となるため都合がよい。

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とされており、大径部２３の中径部２２側端部は、所定角度のテーパーが形成され、主体金具１の嵌合部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。これは、以下のような理由による。

すなわち、図３に示すように、例えば絶縁碍子２の大径部２３の直径を９．９ｍｍ、大径部２３の先端部の直径を９．７ｍｍとして、径差を２００μｍとした場合、テーパー角度によって、テーパー長（圧入導入部長さ）が変化する。図４に、縦軸をテーパー長、横軸をテーパー角度としてこれらの関係を示す。同図の下側に記載された曲線に示されるように、テーパー角度が１度未満となると、テーパー長が急激に長くなる。このため、テーパー角度は１度以上とすることが好ましく、２度以上とするさらに好ましい。

また、図４の縦軸を抜き後の嵌合代として、抜き後の嵌合代とテーパー角度の関係を図中上側の曲線が示している。この抜き後の嵌合代とは、一旦圧入した後引き抜いた時の絶縁碍子２の外形（ｄ１）と圧入部９の内径（ｄ２）との径差（ｄ２−ｄ１）のことを示しており、十分な嵌合強度（一定以上の抜け荷重）を得るためにはある程度大きい必要がある。この抜き後の嵌合代を確保するためには、テーパー角度を５度以下とすることが好ましく、４度以下とすることが更に好ましい。以上から、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。

上記のように、本実施形態では、嵌合部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の最大径を細くすることができる。これによって、エンジンブロックに設けるスパークプラグ１００取り付け用の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、本実施形態では、嵌合部９を含め主体金具１全体が、前記したとおり、ビッカース硬度が１８０〜５００の範囲内の金属によって構成されており、これによって、十分な抜け荷重と気密性とを確保することができるようになっている。すなわち、ビッカース硬度の異なる金属によって、主体金具１を構成し、絶縁碍子２を圧入し、また、この絶縁碍子２を引き抜いて、抜け荷重、気密性、最大嵌合代（抜き後の嵌合代）を測定したところ、表１に示すように、ビッカース硬度が１８０未満（ビッカース硬度１５５）の場合、抜け荷重及び気密性が著しく低くなり、十分な抜け荷重及びスパークプラグに必要とされる気密性を確保することができなかった。一方、ビッカース硬度が５００以上（ビッカース硬度５２８）の場合、絶縁碍子２の圧入によって主体金具１に金具割れが生じてしまい、スパークプラグの製造が困難となった。そして、ビッカース硬度が１８０〜５００の範囲内の金属によって主体金具１を構成した場合、十分な抜け荷重と気密性とを確保することができた。なお、少なくとも嵌合部９が、ビッカース硬度が１８０〜５００の範囲内とされていれば、主体金具１の他の部位については、ビッカース硬度が異なっていても良い。また、本実施形態に係るスパークプラグ１００では、嵌合部９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の充填の必要がなく、このため構造を簡易化することができる。

なお、上記の測定は、タイプ１、タイプ２、タイプ３の３つのタイプの主体金具１について行った。タイプ１は、嵌合部内径（略絶縁碍子の外径に略等しい）が１０ｍｍで、嵌合部９の内側の絶縁碍子２との当接部９１の長さを１ｍｍとしたタイプ（図５に示す（ａ）のタイプ）、タイプ２は、嵌合部内径が１０ｍｍで、嵌合部９の内側の絶縁碍子２との当接部９１の長さを６ｍｍとしたタイプ（図５に示す（ｂ）のタイプ）、タイプ３は嵌合部内径が８ｍｍで、嵌合部９の内側の絶縁碍子２との当接部９１の長さを３ｍｍとしたタイプ（図５に示す（ｃ）のタイプ）のものである。また、ＳＮＣＭ４３９については、焼入れ焼き戻し材で焼き戻し温度を振って硬度を調節した。

上記表１に示すように、嵌合部のビッカース硬度が１８０未満であると抜け荷重も小さく気密性も悪い。一方、ビッカース硬度が５００を超えると主体金具の割れが生じてしまう。したがって本発明では嵌合部のビッカース硬度を１８０以上５００以下としているのである。

また表１に示すように、嵌合部のビッカース硬度が１８０以上５００以下であれば嵌合部の長さが長くなっても、また、嵌合部内径が８ｍｍとなっても抜け荷重が不十分となって気密性が悪化することなく良好なスパークプラグを提供できる。なお、嵌合部の軸方向長さは下限を１ｍｍ、上限を嵌合部内径と同程度（すなわちタイプ１では１０ｍｍ）とすることが望ましい。

ところで、主体金具１の嵌合部９の最小肉厚（図１に示すＴ１）は、０．２５ｍｍ以上とすることが好ましい。これより肉厚が薄いと、製造性が悪くなる。また、主体金具１の嵌合部９内に圧入されて嵌合される絶縁碍子２の嵌合部分の肉厚（図１に示すＴ２）は、１ｍｍ以上とすることが好ましい。これは、脆性材料である絶縁碍子２は、嵌合によって締め付ける力が作用し、破壊する恐れがあるためである。このような破壊が生じることを肉厚を１ｍｍ以上とすることによって防止できる。

また、絶縁碍子２を主体金具１の嵌合部９から引き抜いた後の絶縁碍子２の外形をｄ１、嵌合部９の内径をｄ２とした時、ｄ１−ｄ２の値（抜き後の嵌合代）を、６μｍ〜２００μｍの範囲内とすることが好ましい。これは、以下のような理由による。

一般に絶縁碍子２はアルミナからなりその熱膨張は６〜８×１０^−６／℃である。主体金具１は、Ｆｅを主成分とする合金からなりその熱膨張は１０〜１７×１０^−６／℃である。嵌合径は、３．５〜１５ｍｍであり、嵌合部分の温度は最大で２５０℃程度である。これらから、一般に組み合わされる中で必要な嵌合代が最小となるのは、アルミナ８×１０^−６／℃、主体金具１０×１０^−６／℃、嵌合径３．５ｍｍの場合であり、最高温度２５０℃として、必要な嵌合代は２μｍである。また、最大となるのは、アルミナ６×１０^−６／℃、主体金具１７×１０^−６／℃、嵌合径１５ｍｍの場合であり、最高温度２５０℃として、必要な嵌合代は４１μｍである。これは必要最小限の値で、安全率を３とすれば、最小の嵌合代は６μｍ、最大の嵌合代は１２３μｍとなる。嵌合代が１２３μｍ以上あっても安全率が増すので問題がないが、例えば、２００μｍより大きい場合絶縁碍子２に負担がかかる。このため、ｄ１−ｄ２の値（抜き後の嵌合代）は、６μｍ〜２００μｍの範囲内とすることが好ましい。

また、スパークプラグ１００を製造するに際しては、絶縁碍子２を主体金具１の嵌合部９に圧入する前の絶縁碍子２の外形をＤ１、嵌合部９の内径をＤ２とした時、Ｄ１−Ｄ２の値（初期の嵌合代）を、６μｍ〜３００μｍの範囲内とすることが好ましい。すなわち、必要な最低嵌合代は、上記したように６μｍである。また、初期の嵌合代が３００μｍを超えると、圧入荷重が高くなり、絶縁碍子２が割れる可能性があるためである。

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、点接触から面接触へと変化したための２つの効果による。ここで、点接触から面接触へと変化とは、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主体金具材が軟化、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ことを指す。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、例えば嵌合部直径（絶縁碍子の外径）が１０ｍｍのスパークプラグの場合に実際に測定したデータの一例を挙げれば、圧入荷重が１５０Ｋｇに対して、室温での抜け荷重が６１０Ｋｇ、２００℃での抜け荷重が５２０Ｋｇとなった。また、例えば嵌合部直径（絶縁碍子の外径）が８ｍｍのスパークプラグの場合に実際に測定したデータの一例を挙げれば、圧入荷重が１５７Ｋｇに対して、室温での抜け荷重が３５７Ｋｇ、２００℃での抜け荷重が２７６Ｋｇとなった。この圧入の際は、主体金具の座面を支持して絶縁碍子の圧入を行っている。主体金具には公知の方法によって、先端に接地電極１０が接合されているので（図１参照。）、この接地電極１０を変形させてしまうことなく圧入を行うためには座面を支持して圧入することが好ましい。

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。

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圧入後の状態を示す図。 導入部のテーパー角度とテーパー長の関係を説明するための図。 テーパー角度とテーパー長及び抜き後の嵌合代との関係を示すグラフ。 スパークプラグの嵌合部のタイプの相違を説明するための図。

符号の説明

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……嵌合部、１００……スパークプラグ。

Claims (5)

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機関取り付けのための工具係合部を有する円筒状の主体金具と、を備えたスパークプラグであって、
   前記主体金具の嵌合部にて、圧入によって前記絶縁碍子が保持され、前記主体金具の少なくとも前記嵌合部のビッカース硬度が１８０〜５００の範囲内であ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、
   前記主体金具の前記嵌合部の最小肉厚が０．２５ｍｍ以上であることを特徴とするスパークプラグ。
3. 請求項１又は２記載のスパークプラグにおいて、
   前記主体金具の前記嵌合部との嵌合部分の前記絶縁碍子の肉厚が、１ｍｍ以上であることを特徴とするスパークプラグ。
4. 請求項１〜３いずれか１項記載のスパークプラグにおいて、
   前記絶縁碍子を前記主体金具の前記嵌合部から引き抜いた後の前記絶縁碍子の外形をｄ１、前記嵌合部の内径をｄ２とした時、ｄ１−ｄ２の値が、６μｍ〜２００μｍの範囲内であ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の製造方法において、
   前記絶縁碍子を前記主体金具の前記嵌合部に圧入する前の前記絶縁碍子の外形をＤ１、前記嵌合部の内径をＤ２とした時、Ｄ１−Ｄ２の値が、６μｍ〜３００μｍの範囲内であることを特徴とするスパークプラグの製造方法。

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