JP4434473B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用スパークプラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパークプラグにおいて絶縁体と主体金具内に取り付け、両部材を封着する手法として、筒状に形成された主体金具の一方の端部を絶縁体挿入後に加締める方法が広く使用される。このような加締めを行う場合において、加締め時に生じる応力が当該スパークプラグにおける応力発生の望まれない部分に作用しないよう、或いは望ましくない方向に生じないよう構造上の配慮が必要とされる。そして、加締め時に不必要な変形が生じず、精度高いものが安定的に生産可能となる構造が望まれる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、寸法が規格に規定される部分である工具との係合をなす工具係合部（いわゆる六角部）は１６ｍｍ、１９ｍｍ、２０．８ｍｍ等の寸法を有するものが広く使用されるが、近年におけるプラグ小型化の動向によりさらに寸法の小さいもの（例えば六角部が１４ｍｍ以下のも）が登場しつつある。このような六角部はその外形寸法が決定されると、絶縁体の外径との関係により肉厚寸法の上限が制約される（場合によっては、肉厚寸法が薄くなり、応力による変形が生じやすくなる）。そして、上記のごとく応力による変形が生じ易い部分を有するものであっても、精度高いものが安定的に生産可能となる構造が望まれている。
【０００４】
本発明の解決すべき課題は、主体金具の寸法が精度高く維持され、かつシール性の高い加締め部等が形成されたスパークプラグを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記のような課題を解決するために本発明のスパークプラグは、
機関取り付けのための工具係合部を有する筒状の主体金具内に挿入された軸線方向に延びる絶縁体の外周面に形成された加締め受け部に対し、主体金具の一方の開口部側に形成された突出部を加締めることにより、該主体金具を絶縁体に固定するための加締め部が形成されてなり、
工具係合部の対辺が１４ｍｍ以下であって、さらに、絶縁体の軸線と平行な仮想平面に対して投影したときに、その正射影像での加締め部は、先端側が絶縁体に近づく向きに屈曲する形状をなすとともに、該加締め部の先端側においてその外面外形線には、外向きに凸となる形状の加締め曲線部が形成されてなり、該加締め曲線部の基点における外面外形線に対する接線方向と、仮想平面における前記軸半径方向とのなす角度が５０°〜１１０°の範囲であることを特徴とする。なお、工具係合部の対辺は１０ｍｍ以上であることが望ましい。１０ｍｍ未満であると工具係合部の肉厚が薄くなり、必要となる精度、強度を維持できない可能性がある。
【０００６】
主体金具の加締めによる変形が望まれない部分において、加締め後にその形状が高精度に維持されるためには、加締め部を押下する加締めパンチを下ろすスピード、或いは主体金具と加締めパンチとの位置関係等の種々の設定を慎重に行うこととなる。これら設定における許容度が大きいほど、設定に要される時間を短縮でき、ひいては歩留まりの向上等に寄与することとなる。そして、上記構成によれば、加締め時において主体金具の軸線方向に大部分の加締め力が生じ、主体金具の軸半径方向に生じる応力は軽微なものとなるため、主体金具の加締めによる変形が望まれない部分（例えば工具係合部等）を一定値以上の厚みとすれば、加締め後においても精度高く安定して形成されることとなる。また、その厚みについて薄さに対する許容範囲を大きく採ることができる。
【０００７】
さらに、上記構成に加え、主体金具の内面と絶縁体の外面との隙間に充填されてこれをシールするとともに、加締め部と加締め受け部との間で狭圧されるシール充填材層を設けてもよい。特にタルク等によるシール充填材層が設けられている場合、加締め部の角度を上記範囲に設定すれば、主体金具におけるシール充填材層の外壁をなす部分（以下、シール充填材層外壁部ともいう）において、その軸半径方向への変形、即ち、シール充填材層外壁部の外向きの膨らみを効果的に防止でき、シール充填材層に付与される圧縮力を維持できる。これにより、シール充填材層には十分な密度が維持され、燃焼ガスの漏洩等を防止することに大いに寄与する。
【０００８】
なお、シール充填材層の軸線方向両側に隣接して、絶縁体と主体金具とをシールするシールリングを設けることにより、その漏洩防止効果は万全とできるが、このようなシールリングを有するスパークプラグの場合、加締め時においてシールリングにて軸線方向に狭圧されるシール充填材層が軸半径方向に押し出されることとなる。従って、シールリングによって気密性向上を図ることができるが、シール充填材層外壁部に軸半径方向の負荷が生じるためシール充填材層外壁部に変形が生じないように調整を行うことが望ましい。そして、上記したように加締めにより生じる軸半径方向力が軽減されるため、シール充填材層によるシール充填材層外壁部への圧力に対する許容度が増すこととなる。これにより、シール充填材層外壁部の形状を精度高く維持しつつシール充填材層を締め固めることができる。即ち、上記のようにシール充填材層を有するもの、及びシールリングにてそのシール充填材層を狭圧する形態のものについては、上記角度設定による効果が顕著に現れる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のいくつかの実施の形態を図面を用いて説明する。
図１に示す本発明の一例たる抵抗体入りスパークプラグ１００は、筒状の主体金具１、先端部が突出するようにその主体金具１内に嵌め込まれた絶縁体２、先端部を突出させた状態で絶縁体２の内側に設けられた中心電極３、及び主体金具１に一端が結合され、他端側が中心電極３と対向するように配置された接地電極４等を備えている。接地電極４と中心電極３の間には火花放電ギャップｇが形成されている。なお、以下においては、中心電極３の軸線方向において火花ギャップｇに向かう側を前方側、その反対に向かう側を後方側とする。
【００１０】
絶縁体２は、例えば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６を有している。貫通孔６の一方の端部側に端子金具１３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６内において端子金具１３と中心電極３との間に抵抗体１５が配置されている。この抵抗体１５の両端部は、導電性ガラスシール層１６，１７を介して中心電極３と端子金具１３とにそれぞれ電気的に接続されている。
【００１１】
主体金具１は、炭素鋼等の金属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、その外周面には、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。なお、２０１は、主体金具１を取り付ける際に、スパナやレンチ等の工具を係合させる工具係合部である。他方、主体金具１の後方側開口部内面と、絶縁体２の外面との間には、フランジ状の突出部２ｅ（以下、第一絶縁体側係合凸部２ｅとも言う）の後方側周縁と係合するリング状の線パッキン６２が配置され、そのさらに後方側にはタルク等のシール充填材層６１（以下、単に充填層６１とも言う）を介してリング状の線パッキン６０が配置されている。そして、絶縁体２を主体金具１に向けて前方側に押し込み、その状態で主体金具１の開口縁をパッキン６０に向けて内側に加締めることにより加締め部２００が形成され、主体金具１が絶縁体２に対して固定されている。
【００１２】
また、主体金具１のねじ部７の基端部には、ガスケット３０がはめ込まれている。このガスケット３０は、炭素鋼等の金属板素材を曲げ加工したリング状の部品であり、ねじ部７をシリンダヘッド側のねじ孔にねじ込むことにより、主体金具１側のフランジ状のガスシール部１ｆとねじ孔の開口周縁部との間で、軸線方向に圧縮されてつぶれるように変形し、ねじ孔とねじ部７との間の隙間をシールする役割を果たす。
【００１３】
図２（図１のＡ−Ａ断面図）、図３（図１の要部拡大図）に示されるように、工具係合部２０１は平面部２０１ａが複数形成され、図２のように軸断面においてその外形は多角形状の形態をなす。本実施例において工具係合部２０１は６つの平面部２０１ａが設けられたいわゆる六角部として形成されて、平面部２０１ａは対向する面がそれぞれ平行とされて、対をなす形態で３組の平面対として設けられる。なお、これら平面対における平面間の距離を対辺寸法Ｎ（又は対面距離Ｎとも称する。なお六角形状のものについて六角対辺寸法Ｎともいう）としている。また、六角形状ではなく、図２（ｂ）のような２４角形状（いわゆるＢｉ−ＨＥＸ形状）の場合においても図に示されるように対向する面間の距離を対辺寸法Ｎとする。
【００１４】
次に、加締め部について詳細に説明する。
図３のように、筒状の主体金具１内に挿入された軸線方向に延びる絶縁体２の外周面に形成された加締め受け部２ａに対し、主体金具１の一方の開口部側に形成された突出部を加締めることにより、該主体金具１を絶縁体２に固定するための加締め部２００が形成される。そして、その加締め部２００は絶縁体２の軸線をその面内に含むよう切断したときの主体金具１の断面において、先端側が絶縁体２に近づく向きに屈曲する形状をなす。
【００１５】
本発明において、加締め部２００の基点は以下の位置として定義する。
基点位置の定義に際しては、図２のような工具係合部２０１の軸断面（図２参照）において、軸中心Ｆと、該軸中心Ｆに関して対称の位置にある工具係合部外形線の２つの頂点（点Ｃ，Ｃ）とを通り、かつ軸線を含む平面に平行な仮想平面を定義面として用いる。この定義面に投影される正射影像においては図２（ａ）及び（ｂ）に示される六角、２４角の両形状のものに適用できる。なお、工具接触面における隣接する平面間にアール等が形成される場合にはその隣接する平面の延長線が交差する点を頂点とみなす（図２（ａ）参照）。
【００１６】
上記正射影像において、図４（図４は定義面についての要部を拡大して示すものである）のように、加締め部２００の外形線のうちで外向きに凸となる加締め曲線部２００ａと、工具係合部２０１の外形線とに対する共通接線を引き、これを基準線Ｊとして、加締め曲線部２００ａとの加締め曲線部側接点Ｈ及び工具係合部側接点Ｇ（図４では加締め部側外縁部）の間における主体金具１の外形線において、基準線Ｊからの距離ｔが最大となる位置を加締め部２００の基点Ｄ（以下、加締め部基点Ｄともいう）とする。そして、加締め部２００は上記断面（図４等）において絶縁体２の軸線方向における高さｈ_１が１.０ｍｍ〜３.０ｍｍの範囲となるように形成される。
【００１７】
なお、本発明において高さｈ_１は、図４のごとく加締め部２００が加締め部基点Ｄから軸線方向に突出する最大距離となるように定義される。なお、図４（ａ）は工具接触面の端部から加締め部２００までの間に形成される工具係合部側面部２０１ｂが平面形状の場合を示し、図４（ｂ）はその工具係合部の後方側側面部が曲面形状をなす場合について示しているが、いずれの場合においても、工具係合部２０１の外形線と加締め曲線部２００ａとの共通接線を基準線Ｊとしている。
【００１８】
図５のように、加締め部２００の先端側においてその外面外形線には、上述したように外向きに凸となる形状の加締め曲線部２００ａが形成されてなり、加締め曲線部２００ａの基点における外面外形線に対する接線（以下、加締め曲線部基点接線Ｅともいう）の方向と、軸半径方向とのなす角度Ｒが５０°〜１１０°の範囲となるよう形成される。なお、本発明において加締め曲線部２００ａの基点とは以下のように定義する。即ち、図５（ａ）のように、外向きに凸となる外形線を有する加締め曲線部２００ａが、その外形線が内向きに凸である曲線部２００ｂと接続し、かつ外形線の接線が連続的に変化する場合、その凸方向が逆となる移行点を加締め曲線部基点Ｂとし、その加締め曲線部基点Ｂにおける加締め曲線部２００ａの接線を加締め曲線部基点接線Ｅとする。
【００１９】
また、図５（ｂ）のように、外向きに凸となる加締め曲線部２００ａがその外形線が直線となる直線部２００ｃと接続し、かつ接線が連続的に変化する場合は曲線部から直線部２００ｃへの移行点を加締め曲線部基点Ｂとし、その加締め曲線部基点Ｂにおける加締め曲線部２００ａの接線を加締め曲線部基点接線Ｅとする。さらに、図６のように上向きに凸となる加締め曲線部２００ａが、直線部、上に凸となる曲線部、及び下に凸となる曲線部のいずれかと接線が不連続に変化するよう接続する場合（即ち、接線が移行点において急激に変化する場合、又は直線部との接続においてはその移行点における加締め曲線部２００ａの接線方向が接続する直線方向と一致しない場合）、その移行点を加締め曲線部基点Ｂとし、加締め曲線部基点Ｂおける加締め曲線部２００ａの接線を加締め曲線部基点接線Ｅとする。なお、図６の例では加締め曲線部基点Ｂと加締め部基点Ｄとが一致しているものを示す。
【００２０】
そして、上記のごとく加締め曲線部接線Ｅと軸半径方向とのなす角度Ｒが５０°以上となるように加締め部２００を形成することで、加締め時において工具係合部に生じる軸半径外方向の分力を軽微なものとでき、工具係合部の変形を効果的に防止できる。なお、角度Ｒが７０°以上であればその効果が顕著に表れ、更に８０°以上であれば高い効果が安定して得られることとなる。
【００２１】
図３に戻り、主体金具１は、軸線方向中間位置に形成されて外面が半径方向外向き凸となるよう形成される薄肉凸状部１ｊを有するとともに、軸線方向においてその薄肉凸状部１ｊに対し、挿入開口部側の端部に隣接して周方向に突設された第一鍔状部としての工具係合部２０１と、同じく薄肉凸状部１ｊに対し工具係合部とは反対側の端部に隣接して周方向に突設された第二鍔状部としてのガスシール部１ｆが備えられる。
【００２２】
そして、工具係合部２０１とは反対側の端面内縁から突出する形で加締め部２００が設けられる。なお、本実施例において工具係合部２０１の端面とは、上述した加締め部基点Ｄに対応した面（即ち、加締め部基点Ｄをその面内に含む軸断面）を意味している。なお、通電しながら加締めを行う熱加締めの場合には、薄肉凸状部１ｊは、外面が半径方向外向きに、内面が半径方向に内向きに各々凸状形態となる形状を呈する。
【００２３】
スパークプラグ１００の製造工程において、絶縁体２に対する主体金具１の組付けは以下のようにして行われる。まず、接地電極を取り付ける前の状態の主体金具１に対し、貫通孔６に中心電極３及び導電性ガラスシール層１６、１７、抵抗体１５、及び端子金具１３を予め組付けた絶縁体２を挿入開口部側から挿入し、絶縁体２の係合部２ｈと主体金具１の係合部１ｃとを線パッキン（図示略）を介して結合させた状態とする（なお、これら部材については図１を参照）。次に、主体金具１の挿入開口部からその内側に線パッキン６２を配置し、タルク等の充填層６１を形成してさらに線パッキン６０を配置する。なお、図７（ａ）にはこの状態のものを示している。そして、加締め金具１１１により、薄肉凸状部１ｊを形成しつつ加締め用凸部２００’を、線パッキン６２、充填層６１及び線パッキン６０を介して加締めることにより、図７（ｂ）のように主体金具１が絶縁体に対して固定される。この加締め金具１１１は加締め用凸部２００’との当接面において、角度Ｒに対応した形状に形成される。
【００２４】
具体的には、図７において、加締めベース１１０のセット孔１１０ａに主体金具１の先端部を挿入し、主体金具１に形成されたフランジ状のガスシール部１ｆをその開口周縁に支持させる。そして、熱かしめの場合においては、主体金具１に通電し、工具係合部２０１とガスシール部１ｆとの間に形成されたくびれ形態の薄肉部１ｊ’を抵抗発熱させながら、加締め金具１１１により加締め用凸部２００’を押下して薄肉凸状部１ｊを形成する。また、冷間かしめの場合は薄肉部を常温で加圧して座屈させることにより薄肉凸状部１ｊを形成する。
【００２５】
なお、加締め部の角度Ｒを９０度以上に形成する場合には、図８のようにできる。即ち、加締め用突出部２００’の外周面と加締め用金具１１１の内面との間にクリアランスを設け、その隙間において加締め用突出部２００’の変形を許容するようにできる。なお、加締め部の角度Ｒを９０度以上に形成する場合には、図８（ａ）における加締め用突出部２００’の突出高さを高くとり、加締めによる変形により加締め曲線部がそのクリアランス側に押し出される形態とする。
【００２６】
いずれにしても、充填層６１は加締め時に圧縮され、主体金具１の挿入開口部と絶縁体２の外周面との間をシールする。そして、上記角度範囲（角度Ｒが５０°〜１１０°の範囲）を満たすよう加締め部を形成することにより、シール充填材層外壁部をなす工具係合部２０１は軸線方向に圧縮力が生じるため軸半径方向の変形がなされず、シール充填材層６１からの圧力に抗してそのシール充填層６１を効果的に圧縮でき、当該スパークプラグにおけるシール性向上に寄与する。そして、主体金具１に接地電極４を溶接等により取り付け、火花ギャップｇの大きさを調整してスパークプラグ１００が完成する。
【００２７】
なお、上記角度範囲設定等の効果は、特に図２に示されるような対辺寸法Ｎが１４ｍｍ以下（いわゆるＭ１４以下）のスパークプラグにおいて顕著となる。即ち、このようなスパークプラグはそれよりも対辺寸法Ｎが大きいスパークプラグと比較すると、内部構造上、工具係合部２０１の金具肉厚、即ちシール充填材層外壁部を薄くせざるを得ない。このように薄肉形状となると、レンチ嵌合部分となる工具係合部２０１の強度は低下し、図７（ｂ）のように、加締めを行った時にシール充填材層６１による圧力、加締め金具１１１、薄肉凸状部１ｊの上下からの力によって発生する応力、加締め用凸部２００’を変形する時の応力の影響（図７（ａ）参照）等により、レンチ等の工具が係合する工具係合部の変形（膨らみ）が大きく発生する。よって気密性を確保しつつ（機密性を確保するには加締め時の圧力を大きくとる必要がある）対辺寸法Ｎを規定内とするのは難しい。角度Ｒの上記の範囲に設定されていると、工具係合部２０１の肉厚がある程度薄くとも座屈変形し難くなる。
【００２８】
【実施例】
本発明の効果を確認するために以下の試験を行った。
図７、図８に示す加締め方法にて、主体金具１の開口端の加締めを行い加締め部２００を形成し、加締め曲線部基点接線と軸線方向とのなす角度Ｒを１０°〜１２０°まで変化させた場合において、角度Ｒと対辺寸法（六角対辺寸法：図２参照）との関係について調べた。そして、試験に使用した材質はＪＩＳ、Ｇ４０５１に規定される機械構造用炭素鋼鋼材、Ｓ５Ｃ、Ｓ１５Ｃ、Ｓ２５Ｃ、Ｓ３５Ｃの４種類にて行った。図９には、角度Ｒと六角対辺寸法Ｎの関係についてグラフ化して示している。
【００２９】
図９において示されるように、いずれの材質においても角度Ｒが５０°以上で効果が現れ、７０°以上にあってはその効果が顕著となった。さらに８０°以上では高い効果が安定して得られた。なお、角度Ｒが１１０°以下となる加締め部の形状については問題なく製作できるが１１０°以上ではその製作の難易性が高くなる。なお、１２０度以上では困難である。
【００３０】
次いで、上記と同様角度Ｒを数段階に設定した場合において、角度Ｒと気密性の関係について調べた。材質は上記と同様である。そして、発火部に１４．７ＭＰａの空気圧を加え、プラグ内部からの空気の漏れ量を測定した。いずれのものも六角対辺寸法１３．８ｍｍのものを用い、上記角度範囲（角度Ｒ：１０°〜１２０°）において、漏洩量１０ｃｃ／ｍｉｎとなる温度を調べた。図１０には角度Ｒと漏洩量１０ｃｃ／ｍｉｎとなる温度との関係についてグラフ化して示している。
【００３１】
試験結果によれば、角度Ｒが５０°以上であれば、加熱気密性の向上効果が得られ、７０°以上であればその効果は顕著となった。更に８０°以上ならば高い効果にて安定した。なお、炭素含有量が少ないと強度が小さく一方塑性変形が生じやすく、逆に炭素含有量が多いと、強度が大きく塑性変形が生じにくいが、図９及び図１０にはその特性が反映されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例たるスパークプラグを示す縦半断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視断面図。
【図３】図１の要部における拡大図。
【図４】加締め部基点及び加締め部高さについて説明する説明図。
【図５】加締め部基点接線及び角度Ｒについて説明する説明図。
【図６】図５とは別形状の加締め部における加締め部基点接線及び角度Ｒについて説明する説明図。
【図７】加締め工程について説明する説明図。
【図８】加締め工程の別例について説明する説明図。
【図９】角度Ｒと六角対辺寸法との関係について説明するグラフ。
【図１０】角度Ｒと気密性との関係について説明するグラフ。
【符号の説明】
１ 主体金具
２ 絶縁体
３ 中心電極
４ 接地電極
６０，６２ 線パッキン （シールリング）
６１ シール充填材層
１００ スパークプラグ
２００ 加締め部
２００ａ 加締め曲線部
２０１ 工具係合部

Claims (7)

1. 機関取り付けのための工具係合部を有する筒状の主体金具内に挿入された軸線方向に延びる絶縁体の外周面に形成された加締め受け部に対し、前記主体金具の一方の開口部側に形成された突出部を加締めることにより、該主体金具を前記絶縁体に固定するための加締め部が形成されてなり、
   前記工具係合部の対辺が１４ｍｍ以下であって、さらに、前記絶縁体の軸線と平行な仮想平面に対して投影したときに、その正射影像での前記加締め部は、先端側が前記絶縁体に近づく向きに屈曲する形状をなすとともに、該加締め部の先端側においてその外面外形線には、外向きに凸となる形状の加締め曲線部が形成されてなり、該加締め曲線部の基点における前記外面外形線に対する接線方向と、前記仮想平面における前記軸半径方向とのなす角度が５０°〜１１０°の範囲であることを特徴とするスパークプラグ。
2. 前記正射影像において、前記加締め突出部の前記絶縁体の軸線方向における高さが１.０ｍｍ〜３.０ｍｍの範囲である請求項１に記載のスパークプラグ。
3. 前記主体金具の内面と前記絶縁体の外面との隙間に充填されてこれをシールするとともに、前記加締め部と前記加締め受け部との間で狭圧されるシール充填材層を有する請求項１又は２に記載のスパークプラグ。
4. 前記シール充填材層の前記軸線方向両側に隣接して、前記絶縁体と前記主体金具とをシールするシールリングが備えられる請求項３に記載のスパークプラグ。
5. 前記加締め部と前記加締め受け部との間には、前記主体金具の内面と前記絶縁体の外面との隙間をシールするリング状のシール部材が、前記加締め部と前記加締め受け部との間で前記軸線方向に挟圧される形態で配置されている請求項１又は２に記載のスパークプラグ。
6. 前記主体金具は、前記軸線方向中間位置に形成されて外面が半径方向外向き凸となる薄肉形成をなす薄肉凸状部を有するとともに、前記軸線方向においてその薄肉凸状部の端部に隣接して周方向に突設された第一鍔状部と、同じく前記薄肉凸状部の前記第一鍔状部とは反対側の端部に隣接して周方向に突設された第二鍔状部とを備え、
   前記加締め部は、前記第一鍔状部の前記薄肉凸状部が隣接しているのと反対側の端面内縁から、該第一鍔状部の軸線方向に突出する形で形成されている請求項１ないし５のいずれかに記載のスパークプラグ。
7. 前記薄肉凸状部は、外面が前記第一鍔状部の軸線に関して半径方向外向きに、内面が半径方向に内向きに各々凸状形態となる形状を呈する請求項６記載のスパークプラグ。

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