特開 2024-165825 スパークプラグ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024165825

(43)【公開日】2024-11-28

(54)【発明の名称】スパークプラグ

(51)【国際特許分類】

   H01T 13/20 20060101AFI20241121BHJP

【ＦＩ】

H01T13/20 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023082350

(22)【出願日】2023-05-18

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】100140486

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100170058

【弁理士】

【氏名又は名称】津田 拓真

(74)【代理人】

【識別番号】100142918

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 貴志

(72)【発明者】

【氏名】西尾 典晃

【テーマコード（参考）】

5G059

【Ｆターム（参考）】

5G059AA04

5G059DD04

5G059DD11

5G059DD27

5G059EE04

5G059EE11

5G059EE15

5G059FF02

5G059GG01

(57)【要約】

【課題】スパッタの発生を抑制し、接地電極母材と接地電極チップとの接合性を向上させる。
【解決手段】先端部５２の軸線５２ＣＬ上において、接地電極チップ６０に対して先端部５２の先端側５２２と、接地電極チップ６０を挟んで先端側５２２とは反対側の根本側５２３とに窪み部５２１が設けられている、スパークプラグ。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

中心電極（１３）を収容する絶縁碍子（１２）と、
前記絶縁碍子を収容するハウジング（１１）と、
前記中心電極に対して所定の間隙を有して配置される先端部（５２）及び前記中心電極に沿って延び、前記ハウジングに接合されている基端部（５１）を含む接地電極母材（５０）と、前記先端部において前記中心電極に対向するように設けられた接地電極チップ（６０）と、を有する接地電極（１４）と、を備え、
前記先端部はニッケル合金によって形成され、前記接地電極チップはプラチナ合金によって形成されており、
前記先端部の軸線（５２ＣＬ）上において、前記接地電極チップに対して前記先端部の先端側（５２２）と、前記接地電極チップを挟んで前記先端側とは反対側の根本側（５２３）とに窪み部（５２１）が設けられている、スパークプラグ。

【請求項2】

前記窪み部の前記軸線に交わる方向の幅（５２１ｗ）は、前記接地電極チップの直径よりも小さい、請求項１に記載のスパークプラグ。

【請求項3】

前記窪み部の幅と前記接地電極チップの直径との比が１．０以下であり、前記窪み部の幅と前記先端部の幅との比が０．５以下である、請求項２に記載のスパークプラグ。

【請求項4】

前記窪み部の深さ（５２１ｄ）が１０μｍ以上３０μｍ以下であり、
前記窪み部の深さよりも前記接地電極チップの厚みが厚く、前記窪み部の深さと前記接地電極チップの厚みとの比が０．０５以上０．１５以下である、請求項１に記載のスパークプラグ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、スパークプラグに関する。

【背景技術】

【0002】

下記特許文献１に開示されているスパークプラグは、その製造工程において、同文献図５に記載されているように電極母材に窪み部が形成されている。窪み部は、略円形の貴金属チップの底面と同心円状になるように形成されている。窪み部の外径は、貴金属チップの底面よりも大径になっている。窪み部の内側に貴金属チップを載置し、抵抗溶接が行われると、貴金属チップの外周部の電流密度が高まることを抑制し、スパッタの発生を抑制している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４－４９２５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１では、貴金属チップの外周に対応する位置において電極母材に窪み部を形成することでスパッタの発生を抑制しているが、抵抗溶接時に貴金属チップの端部が全周に渡って電極母材と接触していないため、貴金属チップの端部全周に渡って溶接熱が小さくなり、熱応力が最大となる端部の接合性が悪化する。

【0005】

本開示は、スパッタの発生抑制及び接地電極母材と接地電極チップとの接合性向上を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示は、スパークプラグであって、中心電極（１３）を収容する絶縁碍子（１２）と、絶縁碍子を収容するハウジング（１１）と、中心電極に対して所定の間隙を有して配置される先端部（５２）及び中心電極に沿って延び、ハウジングに接合されている基端部（５１）を含む接地電極母材（５０）と、先端部において前記中心電極に対向するように設けられた接地電極チップ（６０）と、を有する接地電極（１４）と、を備える。先端部はニッケル合金によって形成され、前記接地電極チップはプラチナ合金によって形成されている。先端部の軸線（５２ＣＬ）上において、接地電極チップに対して先端部の先端側（５２２）と、接地電極チップを挟んで先端側とは反対側とに窪み部（５２１）が設けられている。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、スパッタの発生が抑制され、接地電極母材と接地電極チップとの接合性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、本実施形態におけるスパークプラグの部分断面図である。

【図2】図２は、接地電極の先端部及び接地電極チップの断面図である。

【図3】図３は、本実施形態におけるスパークプラグの製造方法を説明するための図である。

【図4】図４は、接地電極の先端部及び接地電極チップの平面図である。

【図5】図５は、（Ａ）が図４におけるＶＡ－ＶＡ断面を示す断面図であり、（Ｂ）が図４におけるＶＢ－ＶＢ断面を示す断面図である。

【図6】図６は、接地電極の先端部の変形例を説明するための図である。

【図7】図７は、窪み部の深さと接地電極チップの厚みとの関係を説明するためのグラフである。

【図8】図８は、窪み部の幅と接地電極チップの直径との関係を説明するためのグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

【0010】

図１を参照しながら、本実施形態におけるスパークプラグ１０の概略構成について説明する。スパークプラグ１０は、例えばエンジンヘッドブロックに取り付けられる。スパークプラグ１０は、電圧の印加に基づき火花放電を形成し、エンジンの気筒内の混合気に着火する。スパークプラグ１０は、ハウジング１１と、絶縁碍子１２と、中心電極１３と、接地電極１４と、を備えている。

【0011】

ハウジング１１は、スパークプラグ１０の中心軸であるプラグ中心軸ｍ１０を中心に円筒状に形成されている。ハウジング１１は、例えば炭素鋼等の金属材料により形成されている。ハウジング１１の内部には絶縁碍子１２の下端部が挿入されている。ハウジング１１の下部の外周面には、ねじ部１１４が形成されている。ねじ部１１４を、エンジンヘッドブロックに形成されるねじ穴にねじ込むことにより、スパークプラグ１０をエンジンヘッドブロックに締結して固定することが可能である。なお、以下では、プラグ中心軸ｍ１０に沿った方向を「プラグ軸方向Ｄａ」とも称する。プラグ中心軸ｍ１０を中心とする周方向を「プラグ周方向Ｄｃ」とも称する。また、接地電極１４側を先端側とも称し、反対側を基端側とも称する。

【0012】

絶縁碍子１２は、プラグ中心軸ｍ１０を中心に円筒状に形成されている。絶縁碍子１２はアルミナ等の絶縁材料により形成されている。絶縁碍子１２の外周にはハウジング１１が一体的に組み付けられている。絶縁碍子１２の内部には軸孔１２０が形成されている。軸孔１２０は、プラグ中心軸ｍ１０に沿って絶縁碍子１２の先端側から基端側まで貫通するように形成されている。軸孔１２０には、先端側から中心電極１３、第１シール体１５、抵抗体１６、第２シール体１７、及び端子金具１８が順に挿入されている。中心電極１３は、絶縁碍子１２の先端部から露出するように絶縁碍子１２に挿入されている。

【0013】

中心電極１３は、中心電極母材３０と、中心電極チップ４０と、を有している。中心電極母材３０は、プラグ中心軸ｍ１０を中心に円柱状に形成されている。中心電極母材３０は、耐熱性に優れるニッケル（Ｎｉ）合金等により形成されている。中心電極チップ４０は、中心電極母材３０の先端に接合されている。中心電極チップ４０は、プラグ中心軸ｍ１０を中心に円柱状に形成されている。中心電極チップ４０は、イリジウム合金等により形成されている。中心電極１３の基端側と、端子金具１８の先端側と、の間には第１シール体１５、抵抗体１６、及び第２シール体１７が挟み込まれている。

【0014】

端子金具１８は、プラグ中心軸ｍ１０を中心に略円柱状に形成されている。端子金具１８は、鋼材等により形成されている。端子金具１８の基端側には端子部１８０が設けられている。端子部１８０は、絶縁碍子１２の基端側から外部に露出している。

【0015】

接地電極１４は、接地電極母材５０と、接地電極チップ６０と、を有している。接地電極母材５０は、ニッケル（Ｎｉ）合金等により形成されている。接地電極母材５０は、ハウジング１１の先端面１１０に接合されている。接地電極母材５０は、ハウジング１１の先端面１１０から中心電極チップ４０に対向する位置まで延びるように形成されている。

【0016】

接地電極母材５０は、基端部５１と、先端部５２と、を有している。基端部５１は、ハウジング１１の先端面１１０に接合されている。基端部５１は、ハウジング１１の先端面１１０からプラグ軸方向Ｄａに延びるように形成されている。先端部５２は、基端部５１の先端部から中心電極１３の中心電極チップ４０に対向する位置まで延びるように形成されている。接地電極母材５０は、基端部５１及び先端部５２により構成されることで、全体として略Ｌ字状に形成されている。

【0017】

接地電極チップ６０は、接地電極母材５０の先端部５２に接合されている。接地電極チップ６０は、イリジウム合金や白金合金等の貴金属合金により形成されている。接地電極チップ６０は、中心電極チップ４０に対向するように配置されている。中心電極チップ４０と接地電極チップ６０との間に形成される隙間を火花ギャップ１９と称する。

【0018】

スパークプラグ１０では、高電圧を印加することが可能な外部回路が端子金具１８の端子部１８０に接続される。外部回路により端子部１８０に高電圧が印加されると、中心電極１３の中心電極チップ４０と接地電極１４の接地電極チップ６０との間に火花放電が形成される。この火花放電によりエンジンの気筒内の混合気が着火して火炎が形成されることにより混合気が燃焼する。

【0019】

尚、図１において、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸が設定されている。ｚ軸は、プラグ中心軸ｍ１０に沿うように設定されている。ｘ軸及びｙ軸は、ｚ軸に直交する平面に沿って設定されている。ｙ軸は、図１の紙面に沿うように設定されている。ｘ軸は、図１の紙面に直交するように設定されている。

【0020】

ｘ軸は、図１に向かって奥側から手前側に向かって＋方向となるように設定されている。ｙ軸は、図１に向かって左側から右側に向かって＋方向となるように設定されている。ｚ軸は、スパークプラグ１０の先端側から基端側に向かって＋方向となるように設定されている。

【0021】

続いて、図２を参照しながら、先端部５２に対する接地電極チップ６０の接合状態について説明する。図２は、図１のプラグ中心軸ｍ１０を通る平面によって先端部５２の幅方向略中央付近を切断した断面を示している。図２に示されるように、接地電極チップ６０のｚ方向に沿った厚みはチップ厚みＣｔである。先端部５２には、ｙ方向に沿って窪み部５２１が設けられている。先端部５２に対して接地電極チップ６０は沈み込むように溶接されており、先端部５２に対して接地電極チップ６０が沈み込んだ量を沈み込み量Ｄｐとする。

【0022】

続いて、図３を参照しながら、先端部５２に対して接地電極チップ６０を抵抗溶接する方法について説明する。図３に示されるように、先端部５２に接地電極チップ６０を当接させる。

【0023】

続いて、先端部５２側に第２電極Ｅ２を当接させる。接地電極チップ６０側に第１電極Ｅ１を当接させる。第１電極Ｅ１は、接地電極チップ６０の外径よりもその外径が大きくなるように構成されている。このようにして第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２に通電することで、接地電極チップ６０の外周部に接地電極チップ６０よりも外側の第１電極Ｅ１から電流が集中することで、接地電極チップ６０の外周部の電流密度が高まる。結果として、接地電極チップ６０の外周部が優先的に発熱し、その部分に生じる拡散層の厚みを増やすことができる。

【0024】

続いて、図４，５を参照しながら、先端部５２に対する接地電極チップ６０の接合状態について更に説明する。図４は、図１における先端部５２及び接地電極チップ６０をｚ方向正側から見た平面図である。図５（Ａ）は、図４のＶＡ－ＶＡ断面を示す断面図である。図５（Ｂ）は、図４のＶＢ－ＶＢ断面を示す断面図である。

【0025】

図４に示されるように、先端部５２には窪み部５２１が形成されている。窪み部５２１は、図３を参照しながら説明した抵抗溶接を行う前は、先端部５２の先端側５２２から根本側５２３まで繋がるように設けられている。図３を参照しながら説明した抵抗溶接を行うと、スパッタＳｐが発生し窪み部５２１の一部を埋める。スパッタＳｐは窪み部５２１において、接地電極チップ６０から先端側５２２に向けて延びるとともに、接地電極チップ６０から根本側５２３に向けて延びる。窪み部５２１は、スパッタＳｐを収容できれば足りるので、図４に示されるように先端側５２２に壁が設けられておらず、先端側５２２まで貫通するように設けてもよい。

【0026】

窪み部５２１は、先端部５２の軸線５２ＣＬに沿って設けられている。軸線５２ＣＬは、先端部５２のｘ方向における中心を通る線である。窪み部５２１は、軸線５２ＣＬを含み、ｘ方向に置いて軸線５２ＣＬの両側に至るように設けられている。軸線５２ＣＬに沿って窪み部５２１の両側には平坦部５２４が設けられている。

【0027】

接地電極チップ６０の直径は、ｘ方向における窪み部５２１の幅５２１ｗよりも大きくなるように形成されている。接地電極チップ６０の端部６０１を先端部５２の平坦部５２４に載置し、図３を参照しながら説明した抵抗溶接を行う。

【0028】

窪み部５２１は、幅５２１ｗ及び深さ５２１ｄが確保されていれば、その形状は様々なものが採用され得る。例えば、図６に例示するような窪み部５２１Ａは、途中に段部が設けられた２段窪みとなっている。

【0029】

続いて、図７を参照しながら、窪み部５２１の深さ５２１ｄの寸法条件について説明する。図７（Ａ）は、深さ５２１ｄを変化させた場合のスパッタはみ出し率を示すグラフである。

【0030】

材料の前提条件は次の通りである。
接地電極母材５０：銅入り材料
接地電極チップ６０：直径１．７５ｍｍ、厚み０．２ｍｍ、プラチナ合金

【0031】

溶接条件は次の通りである。
荷重：３００Ｎ
電流値：１．０－２．５ｋＡ
通電時間：２０ｍｓ
仮溶接：なし
接地材料：ニッケル合金

【0032】

スパッタはみ出し率の観点からは、窪み部５２１の深さ５２１ｄは、１０μｍ以上であることが必要である。

【0033】

図７（Ｂ）は、深さ５２１ｄを変化させた場合の剥離率を示すグラフである。剥離率測定の条件は次の通りである。
冷熱サイクル：２００ｃｙｃ（１５０℃⇔９５０℃）
剥離率：冷熱サイクル試験を実施後、接地電極チップ６０の直径に対して剥離している箇所の合計長さの割合

【0034】

剥離率の観点からは、窪み部５２１の深さ５２１ｄは、３０μｍ以下であることが必要である。また、深さ５２１ｄ／チップ厚みＣｔは、０．０５以上０．１５以下であることが必要である。

【0035】

続いて、図８を参照しながら、窪み部５２１の幅５２１ｗの寸法条件について説明する。材料の前提条件は次の通りである。
窪み部５２１の深さ５２１ｄ：３０μｍ
接地電極チップ６０：直径１．７５ｍｍ
接地電極母材５０；幅２．６ｍｍ

【0036】

剥離率測定の条件は次の通りである。
冷熱サイクル：２００ｃｙｃ（１５０℃⇔９５０℃）
剥離率：冷熱サイクル試験を実施後、接地電極チップ６０の直径に対して剥離している箇所の合計長さの割合

【0037】

剥離率の観点からは、窪み部５２１の幅５２１ｗと接地電極チップ６０の直径との比が１．０以下であることが必要である。また、窪み部５２１の幅５２１ｗと接地電極母材５０の幅との比が０．５以下であることが必要である。

【0038】

［付記］下記付記１から４は、技術的に矛盾しない限り任意に組合せ可能である。

【0039】

［付記１］
中心電極１３を収容する絶縁碍子１２と、
絶縁碍子１２を収容するハウジング１１と、
中心電極１３に対して所定の間隙を有して配置される先端部５２及び中心電極１３に沿って延び、ハウジング１１に接合されている基端部５１を含む接地電極母材５０と、先端部５２において中心電極１３に対向するように設けられた接地電極チップ６０と、を有する接地電極１４と、を備え、
先端部５２はニッケル合金によって形成され、接地電極チップ６０はプラチナ合金によって形成されており、
先端部５２の軸線５２ＣＬ上において、接地電極チップ６０に対して先端部５２の先端側５２２と、接地電極チップ６０を挟んで先端側５２２とは反対側の根本側５２３とに窪み部５２１が設けられている、スパークプラグ。

【0040】

付記１によれば、スパッタの発生を抑制し、接地電極母材５０と接地電極チップ６０との接合性が向上する。窪み部５２１は、先端部５２に接地電極チップ６０を抵抗溶接する前に先端側５２２から根本側５２３まで繋がるように溝を形成し、先端部５２に接地電極チップ６０を抵抗溶接する際に発生するスパッタＳｐによって一部が埋められる。くぼみ部５２１は、先端側５２２又は根本側５２３に形成された溝がスパッタＳｐによってほぼ全部が埋められてしまってもよく、抵抗溶接する際に発生するスパッタＳｐがその他の部部分に拡散しなければよい。

【0041】

［付記２］
窪み部５２１の軸線５２ＣＬに交わる方向の幅５２１ｗは、接地電極チップ６０の直径よりも小さい、付記１に記載のスパークプラグ。

【0042】

付記２によれば、接地電極母材５０に接地電極チップ６０を抵抗溶接する際の初期段階で接地電極チップ６０が接地電極母材５０に確実に当接するので、接地電極母材５０と接地電極チップ６０との接合性がより向上する。

【0043】

［付記３］
窪み部５２１の幅５２１ｗと接地電極チップ６０の直径との比が１．０以下であり、窪み部５２１の幅５２１ｗと先端部５２の幅との比が０．５以下である、付記２に記載のスパークプラグ。

【0044】

付記３によれば、図８を参照しながら説明したように、剥離率が低下する。

【0045】

［付記４］
窪み部５２１の深さ５２１ｄが１０μｍ以上３０μｍ以下であり、
窪み部５２１の深さ５２１ｄよりも接地電極チップ６０の厚みが厚く、窪み部５２１の深さ５２１ｄと接地電極チップ６０の厚みとの比が０．０５以上０．１５以下である、付記１から３のいずれか１つに記載のスパークプラグ。

【0046】

付記４によれば、スパッタの発生を抑制し、接地電極母材５０と接地電極チップ６０との剥離率を抑制し接合性が向上する。

【0047】

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

【符号の説明】

【0048】

１０：スパークプラグ
１１：ハウジング
１２：絶縁碍子
１３：中心電極
１４：接地電極
５０：接地電極母材
５１：基端部
５２：先端部
６０：接地電極チップ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】