JP2017010741A - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】静電容量の低減と、中心電極の耐衝撃性の確保と、を両立すること。【解決手段】スパークプラグは、主体金具と、絶縁碍子と、抵抗体と、中心電極と、シール体と、を備える。主体金具は、先端側に接地電極を有する略筒状の部材である。絶縁碍子は、小径部と、小径部よりも径が大きく、小径部の後端に段部を介して接続する大径部と、を有する軸孔が内部に設けられ、主体金具内に保持される筒状の部材である。抵抗体は、大径部内に配置される。中心電極は、大径部内において径方向に張り出して段部に接触する鍔部と、鍔部から先端側に延び、小径部内に配置される脚部と、を有する。シール体は、大径部内に配置され、中心電極と抵抗体とを電気的に接続する。シール体は、絶縁碍子と接触する絶縁性シール体と、導電性シール体と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、スパークプラグに関する。

スパークプラグは、燃焼室内の混合気に点火するために、火花放電を発生させる部品である。スパークプラグの構造として、軸線に沿って延びる軸孔が内部に設けられた絶縁碍子と、絶縁碍子を内部に保持する主体金具と、軸孔内に保持される中心電極と、中心電極を軸孔内に保持するための導電性のシール体と、を備える構造が知られている（特許文献１）。特許文献１に開示された構造の場合、中心電極が、径方向に張り出した鍔部と、鍔部から後端側に突き出る頭部と、を備え、この構造を利用して、中心電極を絶縁碍子に保持している。具体的には、軸孔に設けられた段部に鍔部を突き当てることによって、中心電極が先端側に移動しないようにしている。さらに、頭部と鍔部との周囲にシール体を充填することによって、中心電極の耐衝撃性を確保することで、燃焼によって衝撃を受けても中心電極が緩み難いようになっている。

国際公開第２０１２／１０５２５５号

スパークプラグは、繰り返しの火花放電に対する電極の耐久性が要求される。この耐久性を向上させるためには、主体金具と、絶縁碍子の内部に配置された導体との間の静電容量を低減することが有効である。この導体とは、シール体または中心電極のことである。静電容量の低減は、例えば、頭部を短くし、且つ、その分、シール体の軸線方向の高さを低くすることによって実現される。しかし、頭部を短くすると、シール体による保持力が低下するので、中心電極の耐衝撃性が低下して、中心電極が緩みやすくなってしまう。本願発明は、上記に鑑み、静電容量の低減と、中心電極の耐衝撃性の確保と、を両立することを解決課題とする。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、以下の形態として実現できる。

（１）本発明の一形態によれば、先端側に接地電極を有する略筒状の主体金具と；小径部と、前記小径部よりも径が大きく、前記小径部の後端に段部を介して接続する大径部と、を有する軸孔が内部に設けられ、前記主体金具内に保持される筒状の絶縁碍子と；前記大径部内に配置される抵抗体と；前記大径部内において径方向に張り出して前記段部に接触する鍔部と、前記鍔部から先端側に延び、前記小径部内に配置される脚部と、を有する中心電極と；前記大径部内に配置され、前記中心電極と前記抵抗体とを電気的に接続するシール体と；を備えるスパークプラグが提供される。このスパークプラグは；前記シール体は、導電性シール体と、前記絶縁碍子と接触する絶縁性シール体と、を備えることを特徴とする。この形態によれば、シール体が導電性シール体と、絶縁碍子と接触する絶縁性シール体とを備えることによって、導電性シール体と絶縁性シール体とで中心電極を保持しつつ、導電性シール体を減量できる。よって、中心電極の耐衝撃性を確保しつつ、静電容量を減少させることができる。

（２）上記形態において、前記絶縁性シール体は、前記導電性シール体の先端向き面と接触してもよい。この形態によれば、絶縁碍子との高さ方向の接触面積を確保することで静電容量を減少させることができる。

（３）上記形態において、前記絶縁性シール体の比誘電率は、前記絶縁碍子の比誘電率よりも低くてもよい。この形態によれば、絶縁性シール体の比誘電率が絶縁体の比誘電率よりも低いことによって、静電容量が更に低下する。

（４）上記形態において、前記絶縁性シール体は、ガラスを主成分として含有し、前記中心電極に接触していてもよい。この形態によれば、絶縁性シール体が中心電極に接触した部位において良好に固着するので、耐衝撃性が向上する。

（５）上記形態において、前記絶縁性シール体は、非導電性の遷移金属酸化物を含有していてもよい。この形態によれば、絶縁性シール体の絶縁性を確保しつつ、絶縁性シール体と中心電極との固着が更に良好になる。

（６）上記形態において、前記絶縁性シール体の熱膨張係数は、前記中心電極の熱膨張係数と前記絶縁碍子の熱膨張係数との間の値でもよい。絶縁性シール体の熱膨張係数は、製造時や使用時におけるクラックを抑制するために、中心電極の熱膨張係数からも絶縁碍子の熱膨張係数からも乖離しないことが好ましい。この形態によれば、この乖離を回避できる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現できる。例えば、スパークプラグの製造方法の形態で実現できる。

スパークプラグを示す断面図。 シール層付近の拡大断面図。 スパークプラグの製造手順を示すフローチャート。 抵抗体の基材の製造手順を示すフローチャート。

図１は、スパークプラグ１０１を示す断面図である。スパークプラグ１０１は、主体金具１と、絶縁碍子２と、中心電極３と、接地電極４と、端子金具１３とを備えている。図１において、スパークプラグ１０１の長手方向の中心を軸線Ｏとして表した。また軸線Ｏに沿って、接地電極４側をスパークプラグ１０１の先端側と呼び、端子金具１３側を後端側と呼ぶ。

主体金具１は、炭素鋼等の金属によって中空円筒状に形成されており、スパークプラグ１０１のハウジングを構成する。絶縁碍子２は、セラミック焼結体によって構成され、主体金具１の内部に先端側が収納されている。絶縁碍子２は、筒状の部材であり、内部には軸線Ｏに沿った軸孔６が形成されている。軸孔６の一方の端部側には端子金具１３の一部が挿入及び固定され、他方の端部側には中心電極３が挿入及び固定されている。また、軸孔６内において、端子金具１３と中心電極３との間には抵抗体１５が配置されている。抵抗体１５の両端部は、シール層１６および端子金具側導電性ガラスシール層１７を介して、中心電極３及び端子金具１３にそれぞれ電気的に接続されている。

抵抗体１５は、端子金具１３と中心電極３との間における電気抵抗として機能することによって、火花放電時の電波雑音（ノイズ）の発生を抑制する。抵抗体１５は、セラミック粉末と導電材とガラスとバインダ（接着剤）とから構成されている。本実施形態において、抵抗体１５は、後述する製造手順を経て製造される。

中心電極３は、先端に発火部３１が形成されており、発火部３１が露出した状態で軸孔６に配置されている。接地電極４は、一端が主体金具１に溶接されている。また、接地電極４の他端側は側方に曲げ返され、その先端部３２が中心電極３の発火部３１に間隙を介して対向するように配置されている。

上記構成を有するスパークプラグ１０１の主体金具１の外周には、ねじ部５が形成されている。スパークプラグ１０１は、ねじ部５を用いて、エンジンのシリンダヘッドに装着される。

図２は、シール層１６付近の拡大断面図である。軸孔６は、大径部６ｗと、小径部６ｎとを備える。大径部６ｗは、小径部６ｎよりも内径が大きい。大径部６ｗは、段部６ｓを備え、小径部６ｎの後端に段部６ｓを介して接続する。

中心電極３は、鍔部３Ｆと、脚部３Ｌと、頭部３Ｈとを備える。鍔部３Ｆは、大径部６ｗ内において径方向に張り出して、段部６ｓに突き当てられている。脚部３Ｌは、鍔部３Ｆから先端側に延び、小径部６ｎ内に配置される。頭部３Ｈは、鍔部３Ｆから後端側に延びる。

シール層１６は、導電性ガラスシール層１６ａと、絶縁性ガラスシール層１６ｂとによって構成されている。導電性ガラスシール層１６ａは、頭部３Ｈと抵抗体１５とに接触することで、中心電極３と抵抗体１５との電気的な接続を実現する。

絶縁性ガラスシール層１６ｂは、絶縁碍子２と中心電極３と導電性ガラスシール層１６ａとに接触する。絶縁碍子２における絶縁性ガラスシール層１６ｂとの接触部位は、大径部６ｗ及び段部６ｓである。中心電極３における絶縁性ガラスシール層１６ｂとの接触部位は、頭部３Ｈと鍔部３Ｆとである。抵抗体１５における絶縁性ガラスシール層１６ｂとの接触部位は、先端向き面である。このように、シール層１６は、後端側に導電性ガラスシール層１６ａ、先端側に絶縁性ガラスシール層１６ｂが配置された２層構造を有する。

絶縁性ガラスシール層１６ｂの主成分は、ガラスである。主成分とは、最も含有率の高い物質のことである。絶縁性ガラスシール層１６ｂは、酸化ニッケル(II)（ＮｉＯ）と二酸化チタン（ＴｉＯ₂）との少なくとも何れかを含有している。酸化ニッケル(II)及び二酸化チタンは何れも、非導電性の遷移金属酸化物である。つまり、絶縁性ガラスシール層１６ｂは、非導電性の遷移金属酸化物を含有している。

絶縁性ガラスシール層１６ｂの比誘電率は、絶縁碍子２の比誘電率よりも低い。本実施形態においては、絶縁性ガラスシール層１６ｂの比誘電率は５．５であり、絶縁碍子２の比誘電率は８．５である。

絶縁性ガラスシール層１６ｂの熱膨張係数は、絶縁碍子２と、中心電極３の熱膨張係数との間の値である。本実施形態においては、絶縁碍子２の熱膨張係数は７．２×１０^-6／℃であり、中心電極３の熱膨張係数は１２×１０^-6／℃である。よって、絶縁性ガラスシール層１６ｂの熱膨張係数は、７．２×１０^-6／℃を超え、且つ１２×１０^-6／℃未満の任意の値である。

絶縁性ガラスシール層１６ｂの熱膨張係数は、スパークプラグ１０１から絶縁性ガラスシール層１６ｂのみを切り出して測定することができる。熱膨張係数の測定には、例えば、熱機械分析（TMA：Thermo-mechanical Analysis）を用いる。

ここで、シール層１６の軸線Ｏ方向先端から軸線Ｏ方向後端までにおいて形成されるコンデンサの静電容量Ｃ１について説明する。このコンデンサは、主体金具１と、絶縁碍子２の内部に配置された導体（以下、内部導体という）とによって形成される。内部導体は、具体的には、導電性ガラスシール層１６ａ及び中心電極３である。

静電容量Ｃ１は、Ｃ１＝Ｃ３＋Ｃ１６ａと表記できる。静電容量Ｃ３は、内部導体を中心電極３と、導電性ガラスシール層１６ａとの何れかとし、誘電体を絶縁碍子２及び絶縁性ガラスシール層１６ｂとするコンデンサの静電容量である。静電容量Ｃ１６ａは、内部導体を導電性ガラスシール層１６ａとし、誘電体を絶縁碍子２とするコンデンサの静電容量である。静電容量Ｃ３，Ｃ１６ａは、並列接続の関係にあるので、上記のように加算すると、合成値としての静電容量Ｃ１に等しくなる。

一般的に、同軸円筒形状のコンデンサの静電容量Ｃは、Ｃ＝２πεＬ／ｌｏｇ（ｂ／ａ）で算出される。Ｌは円筒の軸線方向の長さ、εは比誘電率、ａは円筒の内径、ｂは円筒の外径を示す。よって、比誘電率εが小さければ小さいほど、また、外径ｂが一定ならば、内径ａが小さければ小さいほど、静電容量Ｃは小さくなる。

シール層１６全体が導電性ガラスシール層１６ａによって形成された比較例に比較した場合、静電容量Ｃ３に対応するコンデンサは、内径ａに相当する頭部３Ｈ及び鍔部３Ｆの外径が小さい。よって、静電容量Ｃ３は、この比較例において、同じ軸線Ｏの位置におけるコンデンサの静電容量に比べて、値が小さい。この結果、静電容量Ｃ１も、比較例に比べて値が小さくなる。

さらに、先述した絶縁性ガラスシール層１６ｂの比誘電率が絶縁碍子２の比誘電率よりも低いことは、静電容量Ｃ３の減少に貢献している。

図３は、スパークプラグ１０１の製造手順を示すフローチャートである。まず、抵抗体１５の基材を製造する（Ｓ１０５）。

図４は、抵抗体１５の基材の製造手順を示すフローチャートである。まず、材料を湿式ボールミルによって混合する（Ｓ２０５）。この材料とは、セラミック粉末と、導電材と、バインダとである。セラミック粉末は、例えば、ＺｒＯ₂及びＴｉＯ₂を含むセラミック粉末である。導電材は、例えば、カーボンブラックである。バインダ（有機バインダ）は、例えば、ポリカルボン酸等の分散剤である。これらの材料に溶媒としての水を加えて湿式ボールミルを用いて攪拌して混合する。このとき、各材料は混合されるが、各材料の分散度合いは比較的低い。

次に、混合後の各材料を、高速剪断ミキサによって分散させる（Ｓ２１０）。高速剪断ミキサとは、ブレード（攪拌羽根）による強力な剪断力によって材料を大きく分散させながら混合するミキサである。高速剪断ミキサは、例えば、アキシャルミキサ（Axial mixer）である。

次に、Ｓ２１０によって得られた材料を、すぐにスプレードライ法によって造粒する（Ｓ２１５）。Ｓ２１５で得られた粉体にガラス（粗粒ガラス粉末）に水を加えて混合し（Ｓ２２０）、乾燥させることで（Ｓ２２５）、抵抗体１５の基材（粉体）が完成する。なお、先述のＳ２２０の混合に用いる混合器としては、例えば、万能混合器を用いることができる。

次に、図３に示すように、絶縁碍子２の軸孔６に中心電極３を挿入する（Ｓ１１０）。続いて、絶縁性ガラス粉末を充填して圧縮する（Ｓ１１３）。この圧縮は、例えば、軸孔６に棒状の冶具を挿入し、堆積した絶縁性ガラス粉末を押すことによって実現する。この治具は、頭部３Ｈとの干渉を避けるために、圧縮面に凹みが設けられている。この凹みは、内径が頭部３Ｈの外径よりも大きく、深さが頭部３Ｈの長さよりも深い。絶縁性ガラス粉末の層は、後述する加熱圧縮工程を経て、絶縁性ガラスシール層１６ｂとなる。

次に、導電性ガラス粉末を軸孔６に充填して圧縮する（Ｓ１１５）。この圧縮は、例えば、軸孔６に棒状の冶具を挿入し、堆積した導電性ガラス粉末を押すことによって実現する。Ｓ１１５に用いる治具は、頭部３Ｈと干渉することは無いので、凹みが設けられていない。導電性ガラス粉末の層は、後述する加熱圧縮工程を経て、導電性ガラスシール層１６ａとなる。導電性ガラス粉末は、例えば、銅粉末とホウケイ酸カルシウムガラス粉末とを混合した粉末である。

次に、抵抗体１５の基材（粉体）を、軸孔６に充填して圧縮し（Ｓ１２０）、さらに、導電性ガラス粉末を軸孔６に充填して圧縮する（Ｓ１２５）。Ｓ１２０によって形成される粉末の層は、後述する加熱圧縮工程を経て、抵抗体１５となる。同様に、Ｓ１２５によって形成される粉末の層は、後述する加熱圧縮工程を経て、端子金具側導電性ガラスシール層１７となる。なお、Ｓ１２５において用いられる導電性ガラス粉末は、Ｓ１１５で用いた導電性ガラス粉末と同じ粉末である。また、Ｓ１２０，Ｓ１２５における圧縮方法は、Ｓ１１５における圧縮方法と同じ方法である。

次に、端子金具１３の一部を軸孔６に挿入して、絶縁碍子２全体を加熱しながら端子金具１３側から所定の圧力を加える（Ｓ１３０）。この加熱圧縮工程によって、軸孔６に充填された各材料が圧縮及び焼成されて、軸孔６内に、導電性ガラスシール層１６ａと、絶縁性ガラスシール層１６ｂと、端子金具側導電性ガラスシール層１７と、抵抗体１５とが形成される。先述したように導電性ガラスシール層１６ａ及び絶縁性ガラスシール層１６ｂは、シール層１６を形成する。

先述したように絶縁性ガラスシール層１６ｂの熱膨張係数が、絶縁碍子２と、中心電極３の熱膨張係数との間の値であるので、Ｓ１３０におけるクラックの発生が抑制されている。

次に、主体金具１に接地電極を接合し（Ｓ１３５）、絶縁碍子２を主体金具１に挿入して（Ｓ１４０）、主体金具１を加締める（Ｓ１４５）。Ｓ１４５の加締め工程によって、絶縁碍子２が主体金具１に固定される。次に、主体金具１に接合された接地電極の先端が曲げ加工され（Ｓ１５０）、接地電極４が完成する。その後、ガスケット（図示しない）が主体金具１に取り付けられ（Ｓ１５５）、スパークプラグ１０１が完成する。

本発明は、本明細書の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、先述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、先述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことができる。その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除できる。例えば、以下のものが例示される。

絶縁性ガラスシール層１６ｂは、絶縁碍子２と接触するならば、どこに配置されてもよい。例えば、３層構造でもよい。この３層構造とは、先端側に１層目として導電性ガラスシール層１６ａを配置し、後端側に３層目として導電性ガラスシール層１６ａを配置し、１層目および３層目の間に２層目として絶縁性ガラスシール層１６ｂを配置する構造である。このように配置された絶縁性ガラスシール層１６ｂであっても、静電容量Ｃ１を減少させることに貢献する。

或いは、導電性ガラスシール層１６ａと絶縁性ガラスシール層１６ｂとを径方向に積層してもよい。例えば、導電性ガラスシール層１６ａを内層とし、絶縁性ガラスシール層１６ｂを外層として積層してもよい。この場合、導電性ガラスシール層１６ａは、主体金具１に接触してもよいし、接触しなくてもよい。

導電性ガラスシール層１６ａの材料として、銅粉末以外の導電性物質を用いてもよいし、ホウケイ酸カルシウムガラス粉末以外のガラス粉末を用いてもよい。例えば、導電性物質として、カーボンブラックやグラファイトの粉末を用いてもよい。

中心電極３の熱膨張係数は、絶縁碍子２の熱膨張係数より小さくてもよい。この場合、絶縁性ガラスシール層１６ｂの熱膨張係数は、絶縁碍子２と、中心電極３の熱膨張係数との間の値として、中心電極３の熱膨張係数を超え、且つ、絶縁碍子２の熱膨張係数未満でもよい。

１…主体金具
２…絶縁碍子
３…中心電極
３Ｆ…鍔部
３Ｈ…頭部
３Ｌ…脚部
４…接地電極
５…ねじ部
６…軸孔
６ｎ…小径部
６ｓ…段部
６ｗ…大径部
１３…端子金具
１５…抵抗体
１６…シール層
１６ａ…導電性ガラスシール層
１６ｂ…絶縁性ガラスシール層
１７…端子金具側導電性ガラスシール層
３１…発火部
３２…先端部
１０１…スパークプラグ

Claims (6)

1. 先端側に接地電極を有する略筒状の主体金具と、
   小径部と、前記小径部よりも径が大きく、前記小径部の後端に段部を介して接続する大径部と、を有する軸孔が内部に設けられ、前記主体金具内に保持される筒状の絶縁碍子と、
   前記大径部内に配置される抵抗体と、
   前記大径部内において径方向に張り出して前記段部に接触する鍔部と、前記鍔部から先端側に延び、前記小径部内に配置される脚部と、を有する中心電極と、
   前記大径部内に配置され、前記中心電極と前記抵抗体とを電気的に接続するシール体と、
   を備えるスパークプラグであって、
   前記シール体は、導電性シール体と、前記絶縁碍子と接触する絶縁性シール体と、を備える
   ことを特徴とするスパークプラグ。
2. 前記絶縁性シール体は、前記導電性シール体の先端向き面と接触する
   ことを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。
3. 前記絶縁性シール体の比誘電率は、前記絶縁碍子の比誘電率よりも低い
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスパークプラグ。
4. 前記絶縁性シール体は、ガラスを主成分として含有し、前記中心電極に接触している
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか一項に記載のスパークプラグ。
5. 前記絶縁性シール体は、非導電性の遷移金属酸化物を含有している
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までの何れか一項に記載のスパークプラグ。
6. 前記絶縁性シール体の熱膨張係数は、前記中心電極の熱膨張係数と前記絶縁碍子の熱膨張係数との間の値である
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までの何れか一項に記載のスパークプラグ。

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