火花塞及火花塞的制造方法

专利名称：火花塞及火花塞的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种安装在内燃机上使用的火花塞，特别涉及实现优良火焰成长性的 火花塞。
背景技术：
火花塞是将露出到内燃机的燃烧室中的中心电极、接地电极这两电极之间作为火 花放电间隙来进行火花放电，被用作内燃机燃烧的着火装置。以往，有这样的火花塞(例 如，参照日本特开平8-339880号公报)，为实现火花塞的长寿命化，而在成为火花放电起点 的任一个电极或两个电极的前端部接合有耐火花损耗性、耐高温氧化性(以下将耐火花损 耗性、耐高温氧化性合并起来称为耐久性)优良的贵金属合金制的电极头(以下简称贵金 属电极头)。这样通过使用耐久性优良的贵金属电极头，可以使成为火花放电起点的贵金属 电极头为小直径，因此不仅可实现长寿命化，还可实现通过使该电极头为极细而不会妨碍 作为点着火的混合气体的火焰的扩大(以下简称为火焰成长性)的结构(例如参照日本特 开 2002-313524 号公报)。然而，在使用极细的贵金属电极头作为这样的提高火焰成长性的方法之前，进行 了各种研究。火花塞是将形成于主体金属壳上的外螺纹安装在形成于内燃机上的内螺纹来 进行使用的，但在其安装时，要考虑接地电极的方向性来进行安装，因此该安装是非常困难 的。为此，存在这样的问题在混合气体从火花塞周围朝向火花放电的发生部位时、及混合 气体被点着后火焰成长时，由于存在接地电极，阻碍了混合气体的运动及火焰的成长，降低 了燃烧效率。为了解决这样的问题，例如在日本特开平11-121142号公报中记载的使接地电极 的截面形状为圆形的结构(以下简称为圆接地电极)。通过做成这样的结构，可以避免混合 气体的流动被接地电极妨碍而使气流从接地电极脱离，还可避免成长过程的火焰接触到接 地电极而被接地电极夺取热，降低了火焰的成长。另外，在使用火花塞的汽车行业，正推进发动机的小型化、高效率化，由于随着吸 气、排气口的大口径化、燃料的直喷化而要在燃烧室附近配置喷射器等，因此要求火花塞小 直径。为响应该要求，将火花塞的螺纹直径做成例如M12以下的小直径。但是，若考虑使保 持中心电极的绝缘电瓷具有在施加产生火花放电的高电压时不会产生贯穿破坏的程度的 壁厚，或为了不产生绝缘电瓷与主体金属壳之间的火花放电、即不产生所谓的横向跳火，而 使绝缘电瓷与主体金属壳之间形成规定间隙，则仅容许接合有接地电极的主体金属壳的前 端面上具有极其有限的厚度。对使用这样小直径的主体金属壳使火花塞为小直径，并且为了具有长寿命及优良 的火焰成长性而在圆接地电极上接合极细的贵金属电极头的结构进行研究。然而，不容易充分确保上述那样接合有接地电极的主体金属壳的前端面厚度。若是以往使用的大致矩形 的棱柱形接地电极，可以使其宽度大于主体金属壳的前端面厚度，将其接合在主体金属壳 的前端面上，从而可以避免接地电极的导热性不充分的问题。但是，由于圆接地电极的自身 截面形状是圆形的，仅容许具有相当于主体金属壳的前端面厚度的直径，难以确保充分的 导热性。也考虑使用导热性优良的Cu等金属作为芯材构成圆接地电极，但这样的结构不免 要增大制造工时。在解决了以上诸问题的基础上，则接合极细的贵金属电极头就能实现长 寿命化及火焰成长性优良的火花塞。另外，对为了提高长寿命及着火性能而具有极细的贵金属电极头，并为了实现更 优良的火焰成长性而在圆接地电极上接合该贵金属电极头的结构进行研究。然而，由于圆 接地电极的外轮廓线是弯折成圆弧形，因此不容易牢固地接合形成为上下端具有平坦面的 大致圆柱状的贵金属电极头。为了提高贵金属电极头与圆接地电极的接合性，考虑将贵金 属电极头的接合面预先加工成凹部或弧状部以使得其与圆接地电极结合，但这样存在制造 成本增大、工时增大、贵金属电极头的朝向对准等问题，因此不现实。由于贵金属电极头是上下端具有平坦面的柱状形状，所以不容易与具有弧状面的 圆接地电极牢固地接合。例如对通过电阻焊接进行接合的方式进行研究，在柱状的电极头 的底面(与接地电极接合一侧的端面)中，仅靠近中心部位与接地电极接触，所以被焊接 成在远离中心的部位不流过电流、仅贵金属电极头的靠近中心部位被接合的所谓“浮起状 态”。另外，对进行激光焊接的方式进行研究，相对于平坦面的贵金属电极头的底面而具有 规定曲率半径的圆接地电极的侧面，仅接触贵金属电极头的靠近中心的部位，其远离中心 的部位也远离圆接地电极的侧面，所以即使照射激光，圆接地电极与贵金属电极头的焊接 熔深也小，仍难以形成牢固的接合。

发明内容
本发明是鉴于上述各种问题而做出的，其目的在于提供一种小直径的火花塞及提 供在实现这些火花塞时，不会徒劳地增加制造成本、工时就能制造的方法。该火花塞是通过 将贵金属电极头牢固地接合到圆接地电极上而制成可靠性高的火花塞，并具有与圆接地电 极同等的火焰成长性，并可实现长寿命化，具有导热性优良的接地电极。为解决上述问题，本发明的第1构成的火花塞，包括杆状的中心电极、筒状的绝缘 电瓷、主体金属壳和接地电极，该杆状的中心电极沿火花塞轴线方向延伸；该筒状的绝缘电 瓷具有轴孔，以使上述中心电极的前端从自身的前端面突出的状态将上述中心电极保持在 上述轴孔中；该主体金属壳保持上述绝缘电瓷；该接地电极的一端与上述主体金属壳的前 端面接合，从该一端向另一端延伸；其特征在于，上述接地电极具有面向上述中心电极的内侧面、和相对于该内侧面为背面的外侧 面，从自身的延伸方向的另一端侧看接地电极时，上述外侧面呈弧状曲面，且在上述内侧面 上接合有圆柱状的贵金属电极头。通过这样构成，将火花塞安装到内燃机上时，即使接地电极的方向性不是理想的 方向，也可以使燃烧效率发挥到最大限度。与使用棱柱状的接地电极来构成火花塞的情况 相比，可以说在使用以往的圆接地电极来构成火花塞的情况下混合气体容易进入火花放电 间隙，燃烧效率提高。若采用本发明的构成，确认到燃烧效率进一步提高。根据虽未明确，但认为由于存在从接地电极向中心电极突出的贵金属电极头，所以从接地电极到火花放 电间隙的中心部的到达距离变长，在混合气体到达火花放电间隙中心部之前的期间，通过 燃烧室内的空气阻力(也包括由混合气体、燃烧气体引起的阻力)、他们的流动(旋涡、滚转 等)发挥作用，消除由接地电极产生的卡门涡旋阻碍混合气体的流动的现象。此外，点着的 混合气体、即燃烧气体，在其火焰核还小时，在体积小的贵金属电极头的周围燃烧扩展，充 分成长后，在比贵金属电极头体积大的接地电极周围燃烧扩展，所以，难以阻碍点着后火焰 核的成长也产生着影响。为了进一步提高燃烧效率，上述贵金属电极头，在以从与上述接地电极接合的部 位突出的方向为电极头轴线时，最好是向该电极头轴线方向的突出长度h大于与该电极头 轴线方向垂直的方向的宽度d。是所谓纵长形状(h>d)的贵金属电极头，h的大小的大致 标准最好是圆接地电极外形的16%以上。另外，如上所述，对圆接地电极接合圆柱状的贵金属电极头，不容易得到足够的接 合强度，因此，本发明的第3构成优选为，从自身的延伸方向另一端侧看上述接地电极时， 上述接地电极具有在上述内侧面上述接地电极的外轮廓线成为直线部的平面、和以上述直 线部的端部为起点的、位于该直线部两端侧的两个第1弧状部，上述贵金属电极头自身(上述贵金属电极头)的顶端面比两个假想延长圆弧在上 述内侧面侧的交点突出，该假想延长圆弧具有与上述两个第ι弧状部相同的曲率半径R，是 从该第1弧状部延长而形成的。贵金属电极头通常是通过将贵金属的坯料进行拔丝加工成极细状，经过切断工序 而形成上下具有平坦面的圆柱形状。为了与圆接地电极接合得到牢固的接合强度，可以相 对于该贵金属电极头平坦面，在圆接地电极的接合贵金属电极头的面向中心电极一侧设平面。但是，并不是简单地设平面即可，当平面做得过大时，则有可能不能得到作为圆接 地电极的效果、即优良的火焰成长性。为了有效地得到作为圆接地电极的效果，只要这样构 成即可绘出使连接作为上述平面的直线部的两端而形成的两个第1弧状部向中心电极侧 假想延长而成的假想延长圆弧，使贵金属电极头的作为靠近中心电极的端面的顶端面比该 假想延长圆弧的交点突出。若采用这样的构成，则在贵金属电极头的顶端面与中心电极的 前端面之间点着的火焰成长到一定程度之前，不会接触到接地电极的平面，因此可实现高 着火性，其后由于沿形成为弧状的接地电极侧面燃烧扩展，因此也可得到优良的火焰成长 性。另外，为了得到更牢固的接合强度，最好使接合贵金属电极头的平面的面积大于等于贵 金属电极头的抵接面的面积。此外，作为本发明的第4构成，优选是，使上述接地电极以直线状延伸，从自身的 延伸方向另一端侧看该接地电极时，对于上述两个第1弧状部中的一方，形成该一方第1弧 状部的圆弧的中心，位于分割上述直线部的中心线上，或位于比上述中心线更靠上述两个 第1弧状部中的另一方弧状部侧。通过具有上述第1至第3构成，可分别提高着火性、火焰 成长性和寿命，但从特别提高火焰成长性的方面考虑，最好具有该第4构成。此外，特别是第1弧状部具有一定的曲率半径时，作为本发明的第5构成，优选是， 从其自身的延伸方向另一端侧看上述接地电极时，上述接地电极具有在上述内侧面上述接 地电极的外轮廓线成为直线部的平面、和以上述直线部的端部为起点的、位于该直线部两端侧的两个第1弧状部，(作为上述接地电极的内侧面)上述平面位于h+1的中点与上述 贵金属电极头的顶端面之间，其中，h是在以从与上述接地电极接合的部位突出的方向为电 极头轴线时的上述贵金属电极头向该电极头轴线方向的突出长度，1是上述接地电极向上 述火花塞轴线的径向的厚度。此外，特别着眼于贵金属电极头时，作为本发明的第6构成优选是，由上述中心电 极的前端与接合于上述接地电极的贵金属电极头形成的火花放电间隙G、和上述中心电极 前端与上述接地电极之间的间隙中的最小的间隙H，满足关系0. 5mm ( H-G ( 1. 0mm。通常的火花塞所采用的接地电极的形状是大致矩形的棱柱状，所以多是在火花放 电间隙最小的部位进行火花放电，或在电场陡峭的角部进行火花放电。然而，与大致矩形的 接地电极相比，本发明那样的具有弧状部的接地电极，其电场陡峭的部位少，所以有时绕过 圆接地电极地在中心电极的大致相反一侧进行火花放电。另外，由于贵金属电极头和圆接 地电极的母材的熔融部的功函数低，所以容易放电，或有时对该部分进行放电。特别是反复 进行后者的火花放电时，有可能固定接合贵金属电极头的部分被消耗而减少，从而使接合 强度降低。针对这样的问题而采用上述第6构成，减少火花放电的绕过、向熔融部的放电频 率，可使火花塞维持更加长期优良的着火性、火焰成长性。另外，特别着眼于提高接地电极的导热性时，可形成这样的第7构成从自身的延 伸方向另一端侧看上述接地电极时，上述接地电极包括在上述内侧面上述接地电极的外 轮廓线成为直线部的平面；具有曲率半径r、以上述直线部的端部为起点并朝自身(第1弧状部)的另一端延 伸的位于上述直线部两端侧的两个第1弧状部；相互连接该第1弧状部的上述另一端的具有曲率半径R的第2弧状部。如上述第7构成，通过使从接地电极的延伸方向的另一端侧看到的形状、即接地 电极的截面的外轮廓线形成为大致半圆形状，用较小曲率半径的弧状部(第1弧状部)连 接直线部的两端，用较大曲率半径的弧状部(第2弧状部)相互连接第1弧状部的端点，从 而可使圆接地电极具有较大的接合面积来与主体金属壳的前端面接合(其中，该大致半圆 形状的直线部的两端是第1弧状部，即为被倒角成R状的形态)。由此，可以避免接地电极 的导热性不充分，并可具有作为圆接地电极的特性的优良的火焰成长性。具有该构成，且形 成曲率半径不同的第1及第2弧状部，从而可以避免混合气体等气流从接地电极脱离而使 燃烧效率恶化。作为更优选的形态，使上述直线部的长度大于主体金属壳的前端面的厚度， 可以使其直线部不从主体金属壳的前端面超出地接合。将该优选形态更具体化的构成即为 本发明的第8构成。本发明的第8构成是，上述第1弧状部的曲率半径r、上述第2弧状部的曲率半径 R满足关系r < R0这样通过使平面(从延伸方向看为直线状)面向中心电极地将接地电 极接合到主体金属壳上，并使曲率半径r、R的关系为r < R，从而可更高效率地得到接地电 极与主体金属壳的接合面积。此外，贵金属电极头形成为被接合到接地电极的侧面中的呈 平面的部分上的形态。由此，可使贵金属电极头与接地电极的接合更稳定。在上述第8构成中的第1弧状部的曲率半径r最好如下确定。其即为第9构成， 即在设延长上述第2弧状部的外周缘而形成的假想圆弧与上述直线部的假想延长线相交的两交点之间的交点间距离为Dl时，使上述第1弧状部的曲率半径r为Dl/9 D1/5。通过设第1弧状部的曲率半径r为D1/9以上，从而可抑制使从火花塞外侧向中心 流动的气流在从第2弧状部改变到第1弧状部的拐点处从接地电极脱离而使燃烧效率恶 化。此外，通过将该曲率半径r控制到D1/5以下，可以为容易接合贵金属电极头而确保足 够的平面。若着眼于该贵金属电极头，则优选为(第10构成)，S卩，使上述贵金属电极头的外 径d为0. 4mm < d < 0. 8mm,且使上述接地电极为Dl_2r彡1. 5d。贵金属电极头的外径d不 到0. 4mm时，即使是耐火花损耗性、耐高温氧化性优良的贵金属，也难以实现长寿命化。另 一方面，使d超过0.8mm时，会阻碍火焰成长性，有悖于本发明的主旨。具有这样的贵金属 电极头时，Dl-2r、即接地电极的平面部的长度只要为1.5d以上，即可具有足够强度地将贵 金属电极头接合到接地电极上。另一方面，从接地电极与贵金属电极头的接合性方面考虑，优选为以下的第11构 成。即，从自身的延伸方向另一端侧看上述接地电极时，上述接地电极的上述内侧面被通过 上述贵金属电极头的外周面中最靠近上述接地电极的部位的、与上述电极头轴线平行的两 条直线划分，将该被划分出的内侧面中的上述两条直线之间设为区域A，将除该区域A之外的 区域设为区域B，上述区域A的内侧面的曲率半径RA和上述区域B的内侧面的曲率半径RB满足关 系RA彡RB。如上第11构成所述，通过使圆接地电极的侧面中的、接合贵金属电极头的部位 (相当于上述区域A)的内侧面的曲率半径RA为未接合贵金属电极头的部位(相当于上述 区域B)的内侧面的曲率半径RB以上，可期待得到以下效果。按压贵金属电极头时，贵金属 电极头的底面与圆接地电极的侧面相接触的靠近中心的部位的抵接面积变大。由此，例如 进行电阻焊接时，在电阻焊接初期熔融的部位比以往大，因此改善了焊接性，可减少以“浮 起状态”下被接合的问题。此外，在进行激光焊接时，也可减少圆接地电极的侧面与贵金属 电极头的底面相离开的距离，所以可实现更稳定的接合。当然，更优选是除了 RA = RB以外， 为 RA > RB。然而，关于贵金属电极头脱落的危险性，可如下考虑。与以往使用的截面为大致矩形的接地电极不同，圆接地电极不存在容易电场集中 的边缘部分。因此，在圆接地电极的周围电场斜度陡峭的部分较少。本来在中心电极的前 端和接合于圆接地电极的贵金属之间进行火花放电，但由于不存在象大致矩形的接地电极 那样的边缘，所以有时绕过圆接地电极而在中心电极的大致相反侧进行火花放电。此外，贵 金属电极头和圆接地电极的母材的熔融部的功函数低，所以容易放电，或有时对该部分进 行放电。特别是反复进行后者的火花放电时，有可能固定接合贵金属电极头的部分消耗而 减少，从而使接合强度降低。于是，很有可能产生随着发动机的燃烧而产生的热不能从贵金 属电极头被充分地引开、进而由发动机的振动导致贵金属电极头从接地电极脱离、脱落到 燃烧室内的危险。因此，为了避免这样的危险性，最好采用作为本发明第13构成的以下构成。 即，由上述中心电极的前端与接合于上述接地电极的贵金属电极头形成的火花放电间隙G、和上述中心电极前端与上述接地电极之间的间隙中的最小的间隙H，满足关系
0.5mm ^ H-G ^ 1. Omm0通过具有上述第13构成，可降低在中心电极的相反侧的部分进行火花放电或对 圆接地电极和贵金属电极头的熔融部进行火花放电的概率。此外，为了得到更显著的效果， 最好使贵金属电极头的从其与圆接地电极的接合面朝中心电极的突出量为0. 5mm以上、
1.Omm以下。此外，作为制造具有在圆接地电极上接合有贵金属电极头的构成的火花塞的方 法，可以包括通过电阻焊接将上述贵金属电极头暂时固定到上述接地电极的内侧面上的电阻 焊接工序；在上述暂时固定后，从全周对上述贵金属电极头与上述接地电极的接合面进行激 光焊接而将其固定接合的工序。通过这样制造火花塞，可以稳定地将具有平面状底面的贵 金属电极头固定接合到圆接地电极的侧面这样极不稳定的部位。此外，作为另一制造方法，是将柱状的贵金属电极头激光焊接到圆柱状的接地电 极的内侧面而成的火花塞的制造方法，可以包括使上述贵金属电极头相对于上述接地电极的内侧面定位的手段；根据上述贵金属电极头的定位状态，改变激光的照射角度或照射位置来进行焊接 的手段。此外，即使使激光的照射角度、照射位置固定，也可以根据定位状态改变其输出功 率来进行焊接。通过用上述制造方法进行制造，可以将贵金属电极头良好地接合在圆柱状的接地 电极上。使该贵金属电极头相对于圆接地电极定位的手段可以是由上述电阻焊接的暂时固 定，也可以使用定位夹具。即，在对圆接地电极进行焊接结束之前的期间，只要不产生位置 偏移，可以使用任何手段。


图1表示本发明的火花塞100的整体图，是其局部剖视图。图2是从延伸方向的另一端侧看接地电极40的图，表示第1实施例。图3是从延伸方向的另一端侧看接地电极40的图，表示第2实施例。图4是表示用于与本发明比较的第1比较例的图。图5(a)、(b)是表示用于与本发明比较的第2比较例的图。图6是从延伸方向的另一端侧看接地电极40的图，表示第3实施例。图7是从延伸方向的另一端侧看接地电极40的图，表示第4实施例。图8是从延伸方向的另一端侧看接地电极40的图，表示第5实施例。图9 (a)、(b)表示第6实施例，是特别说明接地电极40与贵金属电极头43的接合 状态的图。图10(a) (e)是说明将贵金属电极头43接合到接地电极40的工序中、特别是 暂时固定状态的图。图11(a) (d)是说明将贵金属电极头43接合到接地电极40的工序中、特别是 焊接工序的图。
图12是关于为确定曲率半径r而进行的试验的图。
具体实施例方式以下，参照

本发明的一实施方式。图1表示本发明的火花塞100的整体 图。火花塞100主要是将中心电极10、端子电极20、绝缘电瓷30、接地电极40及主体金属 壳50组合而成的。以下，对各部件进行说明。另外，在图1中，以图下侧为前端侧，上侧为 后端侧来进行说明。中心电极10是将以INC0NEL600 (注册商标)为首的Ni系合金作为母材，形成为 在后端部具有凸缘部11的大致杆状。为提高导热性，在由M系合金构成的母材的中心部， Cu合金构成芯12。并且在中心电极10的前端接合有由含有Pt、Ir等的贵金属合金构成的 耐久性优良的内侧电极头13。在本实施例中，该接合是通过照射激光光束并进行按压的所 谓激光焊接来进行的。另一方面，主体金属壳50所具有的接地电极40是以Ni系合金为母材构成的，形 成为杆状，与主体金属壳50的前端接合。接地电极40的前端部的一侧面弯折成大致直角， 以使得与接合于中心电极10的内侧电极头13形成火花放电间隙G。为了提高着火性、火 焰成长性、耐久性，该接地电极40的前端部的一侧面上也与中心电极10同样地接合有由贵 金属合金构成的外侧电极头43。另外，该外侧电极头43相当于本发明的“贵金属电极头”。 作为本发明要点的接地电极40的详细结构将在后面叙述。主体金属壳50是对S15C、S25C等铁类金属构件、不锈钢等金属构件进行塑性加 工而形成为大致圆筒形，在经过切削等精加工而形成该大概形状。主体金属壳50的外周面 中，在前端侧形成有用于将火花塞100安装到未图示的内燃机上的螺纹部51。在该螺纹部 51的后端侧形成有凸缘部52，并在凸缘部52的后端侧形成有截面例如为六边形的工具卡 合部53，该凸缘部52在外表面上具有用于在安装到内燃机上时通过垫圈4将燃烧室气密 封闭的座面，该工具卡合部53在向内燃机安装火花塞时供火花塞专用扳手等工具卡合。主 体金属壳的工具卡合部53和凸缘部52之间形成为薄壁，以使得在组装绝缘电瓷30时可压 弯(另外，图1中表示压弯后的状态)。在本实施例中，将工具卡合部53的对边尺寸构成为 HEX14。工具卡合部53的后端侧形成为薄壁的筒状，以使得在火花塞100完成时形成成为 主体金属壳50的最后端部的弯边固定盖60。主体金属壳50的内孔57在形成有螺纹部51 的轴线位置形成有小直径孔54，在该小直径孔54中的前端侧形成有沿径向朝内突出的隔 架部55。与该小直径孔54相连的后端侧以形成有凸缘部52的轴线位置为界，直到后端形 成有大直径孔56。在如此形成的主体金属壳50的前端接合接地电极40。通过电阻焊接进 行主体金属壳50与接地电极40的接合，除去焊接毛刺后，对接地电极40和主体金属壳50 一同进行镀锌等的电镀处理。绝缘电瓷30是在氧化铝、氮化铝等绝缘陶瓷粉末中混合粘合剂等，通过加压而形 成其大概形状，在用磨石进行磨削整形后，进行烧结而制作出的。该绝缘电瓷30为大致圆 筒形，在内部形成有轴孔31，在外表面的轴线0方向大致中央部形成有沿径向朝外鼓出的 凸缘状的中筒部32。在该中筒部32的前端侧形成有具有朝向前端的台阶部33的前端侧筒 部34。另一方面，在中筒部32的后端侧形成有具有大致相同外径的后端侧筒部35。另外，
9绝缘电瓷30的比形成于前端侧筒部34的台阶部33更靠近前端侧的部分构成在完成火花 塞100时暴露于燃烧气体中的腿长部36。在轴孔31中的、该腿长部36的后端侧形成有支 承中心电极10的凸缘部11的支承台阶部37，轴孔31的内径形成为支承台阶部37的前端 侧的部分比其后端侧的部分细。另外，轴线0相当于本发明的“火花塞轴线”。对绝缘电瓷30和中心电极10、端子电极20的组装进行说明。将中心电极10使其 前端朝下地插入绝缘电瓷30的轴孔31，使中心电极10的凸缘部11卡定于绝缘电瓷30的 支承台阶部37，如公知那样，填充混合调制玻璃粉末和金属粉末而成的玻璃密封材料、改变 这些原料粉末的混合比而调制出的电阻材料。从绝缘电瓷30的后端插入端子电极20，使得 形成为轴状的端子电极20的腿部21埋设在填充的玻璃密封材料中。在插入了端子电极20 的状态下将绝缘电瓷30投入加热炉中，加热到规定温度，并按压端子电极20将其定位于规 定位置。之后，从加热炉中取出绝缘电瓷30，从而玻璃密封材料、电阻材料固化，分别成为 玻璃密封部5、5、电阻体6，通过这些玻璃密封部5、5和电阻体6使中心电极10和端子电极 20以电导通的状态固定接合。该工序通常称为玻璃密封工序。另外，在进行玻璃密封工序 时，可以同时进行在后端侧筒部35的外表面形成釉层的烧釉。如上所述，各构件被构成，为提高具有中心电极10和端子电极20的绝缘电瓷30 与具有接地电极40的主体金属外壳50之间的气密性，使用板密封件7、线密封件8、8、滑石 9等并通过公知的卷边固定工序形成弯边固定盖60，从而完成火花塞100。另外，在此使用作为第1实施例的图2对本发明要点的接地电极40进行详细说 明。图2表示在主体金属壳50的前端面58上接合有接地电极40的状态。以下表示使用 图2 图8说明的第1 第5实施例及第1、第2比较例的图，都是对在接地电极40上焊接 有外侧电极头43却弯曲之前的状态进行说明的。如图2所示，沿自身的延伸方向(对应于与纸面垂直方向)看接地电极40时，其 外轮廓线中，中心电极10侧(图的上侧)的部分是成为直线部401’的平面401，在其直线 部401’的两端形成与各自的端部相连地绘出具有曲率半径R的圆弧的弧状部402。在该第 1实施例中，弧状部402成为与直线部401’的两端相连的、具有一定曲率半径的圆弧，换言 之，成为从圆柱状的接地电极中切除中心电极10侧的侧面的形状。另外，该直线部401’及 平面401相当于本发明的“内侧面”。从该直线部401’到位于其背面(相当于火花塞的径向外侧，在图中为下侧，示为 附图标记B)的弧状部402的长度(图2中示为1)相当于接地电极40的厚度，相对于该厚 度方向(在纸面上)垂直，连接接地电极40的外轮廓线的线段中的、最长的部分相当于接 地电极40的宽度DA。另外，接地电极40的厚度是这样确定的由于接地电极40接合于主 体金属外壳50的前端面58，所以其厚度1设定成不超过主体金属外壳50的前端面58的厚 度L。例如为M12时，主体金属外壳50的前端部的外径Cl为10. Imm,内径C2为7. 3mm左 右。如上所述，这些数值是考虑绝缘电瓷30的腿长部36的壁厚、主体金属壳50前端的小 直径孔54的内径C2与腿长部36的间隙而确定的。因此，其直径差的一半(Cl-C2)/2是作 为接地电极40的厚度1的最大值。接地电极40接合于主体金属壳50的前端面58上。接地电极40受到的热经该接 合部而传递到主体金属壳50。若接地电极40的形状为大致正圆的圆柱形状，则宽度DA与 上述厚度1相等，为Φ 1.4mm左右(图2中用虚线表示，附图标记V40)。另一方面，在第1实施例中，通过设置平面401而使厚度1为1. 3mm，使宽度DA为1. 7mm。通过这样形成各尺 寸，可增大接地电极40相对于主体金属壳50的前端面58的接合面积，可以使接地电极40 的导热性良好。另外，通过激光焊接将外侧电极头43接合到具有这样形状的接地电极40上。焊 接外侧电极头43时，通过与形成在接地电极40的中心电极10侧的平面401接合，可具有 良好接合强度地进行接合。该外侧电极头43的长度h为0.8mm，形成为Φ0. 7mm的圆柱形 状。另外，外侧电极头43的长度h在完成火花塞100时用作贵金属电极头的突出长度h，在 由示意图说明的本实施例中是相同意义的，但严格说来，由于焊接时产生了熔融部分，所以 有时贵金属电极头的突出长度h比贵金属电极头的长度h短。将具有与以直线部401’的两端为基点的弧状部402相同的曲率半径R地向中心 电极10侧假想延长而绘出的圆弧示为假想延长圆弧VX。在作为第1实施例的图2中，弧状 部402的曲率半径R是同样的，所以弧状部402和假想延长圆弧VX所形成的形状为大致正 圆。由于外侧电极头43被接合成突出到比该假想延长圆弧VX更靠近中心电极10侧，所以 通过火花放电，由外侧电极头43和内侧电极头13的大致中央点着的火焰可不受接地电极 40的平面401阻碍地成长。如此，本发明的第1构成是包括贵金属电极头的长度的概念的 构成，只要是满足该关系的结构即可，但作为一例子，也可以做成使外侧电极头43突出成 从上述假想延长圆弧的交点的突出量h’为0. 1 0. 6mm左右的结构。另外，该第1实施例 是弧状部402的圆弧的中心包含在接地电极40的中心线0’上的例子，将其圆弧中心示为 点C。该中心线0’相当于本发明的“沿火花塞轴线的径向所绘出的中心线”。另外，本发明不限于第1实施例，也可以做成图3所示的第2实施例。另外，对具 有相同作用效果的部位标注相同附图标记来进行说明。该第2实施例与第1实施例不同，是相当于第1实施例的弧状部402的部位以P 为拐点被分成第1弧状部4021R、4021L和第2弧状部4022而构成的形态。通过做成该结 构，即使接地电极40的宽度DB与第1实施例的宽度DA相同，也可以增大主体金属壳50的 前端面58与接地电极40的接合面积，还可以提高接地电极40的导热性。为了更有效地得 到该效果，最好使第2弧状部4022的曲率半径R’比第1弧状部4021R、4021L的曲率半径 R大，但该差过大时，则可能在拐点P处气流从接地电极40脱离(所谓气流是指点着的火 焰、未燃烧混合气体等)。为了抑制该气流脱离，将曲率半径之差控制在一定程度，或也可以 使第1弧状部4021R、4021L从中途开始逐渐使其曲率半径变化。另外，第1弧状部4021R、 4021L的曲率半径是直线部401与成为接地电极40宽度DB的基点的部位之间的圆弧的曲 率半径，若该区间的圆弧的曲率半径不恒定，则也可将与宽度DB相邻的部位中的平面401 侧部位视作曲率半径的基准。在该图3的第2实施例中，也是外侧电极头43的顶端面突出到比第1弧状部 4021R、4021L的假想延长圆弧VX的交点更靠近中心电极10侧，所以可以得到与第1实施 例同样的效果。该第2实施例示出的是第1弧状部4021R、4021L的圆弧的中心分别比接地 电极40的中心线0’更靠该圆弧相反侧的例子，图示第1弧状部4021R的中心点为CR、第1 弧状部4021L的中心点为CL。下面，图4表示比较例，作为第1比较例进行说明。另外，对与第1、第2实施例同 样起相同作用效果的部位标注相同附图标记进行说明。
第1比较例虽然与第1实施例相同，弧状部402的曲率半径R的中心C位于接地 电极40的中心线0’上，但外部电极头43的顶端面未从假想延长圆弧VX的交点突出。若 是这样的结构，则由内侧电极头13和外侧电极头43的大致中央点着的火焰在充分成长之 前就到达接地电极40的平面401，火焰的扩展恶化。为了避免这种情况，如第1、第2实施 例所示，最好构成使外侧电极头43的顶端面突出到比假想延长圆弧VX的交点更靠近中心 电极10侧。为了进一步比较而在图5图示第2比较例进行说明。另外，与第1比较例同样地 对起相同作用效果的部位标注相同附图标记进行说明。另外，图5(a)表示使平面401(直 线部401’)形成为与第1实施例相同大小的形态，图5(b)表示使接地电极40的宽度DC形 成为与第1实施例的宽度DA相同的形态。该第2比较例与第2实施例相同，相当于弧状部402的部位以点P为拐点被分成 第1弧状部4021R、402IL和第2弧状部4022 (但图5 (a)中该拐点P位于直线部401，的两 端，因此，假想延长弧线VX相当于第1弧状部4021R、4021L。)。其曲率半径与第2实施例 相同，第2弧状部4022的曲率半径大于比拐点P更靠近直线部401，的第1弧状部4021R、 4021L的曲率半径。另外，第1弧状部4021R、4021L的曲率半径在图5(a)、(b)中相同，比 接地电极40的宽度DC的二分之一小。在图5(a)、(b)中，都是通过使接地电极40的外轮廓线为圆弧来取得改善气流的 改善效果，鉴于此，接地电极40的外轮廓线不形成向接地电极40内部凹的部位。在图5(a)的例子中，由于外侧电极头43的顶端位于比假想延长圆弧VX的交点更 靠近中心电极10—侧，所以在火焰成长性方面不存在问题，但在拐点P、直线部401’的两 端，来自火花塞100外部的混合气体脱离，有可能难以绕过火花放电间隙。此外，接地电极 40与主体金属壳50的前端面58的接合面积较小，所以与第1、第2实施例相比，其导热性 变差。在图5(b)的例子中，与图5(a)的例子相比，接地电极40与主体金属壳50的接合 面积较大，所以在导热性方面不存在问题，但即使使外侧电极头43突出到比假想延长圆弧 VX的交点更靠近中心电极10 —侧，其绝对长度也变短，所以可能火焰成长性恶化。作为在该第2比较例的图5(a)、(b)中共同的结构，有第1弧状部4021R、4021L的 圆弧的中心点位于比接地电极40的中心线0’更靠近各自的弧状部一侧。认为是因此才产 生各种问题。因此，可以说最好是弧状部的圆弧的中心位于该接地电极的中心线0’上或位 于比该中心线0’更靠与该圆弧相反的一侧。此外，在第1、第2实施例中都是平面401位于h+Ι的中点与贵金属电极头43的 前端面之间，与此相对，第2比较例的图5(a)中，平面401并不位于h+Ι的中点M与贵金属 电极头的前端面之间。由于具有这样的结构，所以在第1、第2实施例中，可以充分确保接 地电极与主体金属壳50的前端面58的接合面积。另外，在第1比较例及第2比较例的图 5(b)中，虽然具有这样的第5构成，但不具有作为其前提构成的第3构成，所以其作为火花 塞100的性能不能达到第1、第2实施例那样。然后，说明图6所示的第3实施例。如该图6所示，从接地电极40自身的延伸方向(对应于与纸面垂直的方向)看时， 接地电极40的外轮廓线，中心电极10—侧(图中上侧)是作为直线部3401’而成的平面
123401，在其直线部3401’的两端形成曲率半径为r的大致1/4圆弧的内侧弧状部3402。进 一步连结该两侧的内侧弧状部3402的圆弧端点，形成曲率半径为R( > r)的圆弧的外侧弧 状部3403。该内侧弧状部3402、外侧弧状部3403分别相当于本发明的“第1弧状部”、“第 2弧状部”。该第3实施例的接地电极40的厚度1的可取的值也是与第1实施例同样确定的， 因此省略其说明。然后，说明接地电极40的宽度DD。使从外侧弧状部3403的端点P1、P2分别延长 到与直线部3401’的延长线VE交叉，绘出假想圆弧VA1、VA2。将此时的交点分别设为J1、 J2，设Jl、J2之间距离为Dl (以下称为交点间距离Dl)。另外，该交点间距离Dl在本实施 例中相当于外侧弧状部3403的曲率半径的2倍，但若将制造公差考虑进去，可取比2R稍大 的值。当然，也可以设定余量，比2R小。此外，该端点P1、P2相当于本发明的“第1弧状部 的另一端”。说明内侧弧状部3402的曲率半径r。该曲率半径!·能以交点间距离Dl为基准来设定。对为了确定该曲率半径r而进 行的试验进行说明。设交点间距离Dl为2. 7mm,使内侧弧状部3402的曲率半径r从0. Imm 到0. 6mm每次改变0. Imm,制作改变了曲率半径r的各火花塞100，对各火花塞100求出其 着火界限空燃比。另外，关于着火界限的判定，空气燃料比逐渐上升，不点火达到(试行 100次中不点火次数为10次)时判定为界限。将该结果表示于表1及图12。表1
r0.10.20.30.40.50.6(mm[Dl χ[Dl χ[Dl χ[Dl χ[Dl χ[Dl χ)1/27]2/27]1/9]4/27]5/27]2/9]A/F21.421.421.9222222.1由这些结果可知，曲率半径r为0. 3mm以上、即交点间距离Dl的1/9以上时，着火 界限空燃比显著上升。曲率半径r不到Dl/9(例如r = 0.2mm)时，由于过小，所以成为在 作为外侧弧状部3403与内侧弧状部3402的界限的拐点(相当于图6中的端点PI、P2)处 燃烧室内的气流紊乱的主要原因。具体而言，特别是来自接地电极40外侧的混合气体气流 在该拐点从接地电极40脱离，不会高效率地走向中心电极10—侧。为此，燃烧效率可能恶 化。另一方面，若曲率半径r超过Dl/5(例如r = 0. 6mm)，不能使接合外侧电极头43用的 平面3401的宽度(即直线部3401’的长度)取为足够大，则有可能导致接合强度的降低、 导热性的恶化。此外，由于外侧弧状部3403的曲率半径R变小，所以很有可能不能取得与 圆接地电极同等的火焰成长性的效果。为此，使曲率半径r为D1/9以上、D1/5以下。如上， 兼顾内侧弧状部3402的曲率半径r与外侧弧状部3403的曲率半径R来确定接地电极40 的宽度DD。从耐久性及火焰成长性的关系考虑，设定外侧电极头43的外径d为0. 4mm以上0.8mm以下。若将该外径d考虑进来，则上述交点间距离D1、内侧弧状部3402的曲率半径 r及外侧电极头43的外径d满足Dl-2r ^ 1. 5d的关系。Dl_2r是指中心电极10 —侧的平 面3401可取的宽度，该值不到1. 5d时，有可能与外侧电极头43的接合强度降低，可能出现 电极头脱落等问题。另外，该d是圆柱状的贵金属电极头的外径，所以在火花塞完成后，相 当于外侧电极头43的顶端(中心电极10 —侧)外径。在本实施例1 3中，如上那样确定的交点间距离D1、接地电极40的厚度1、宽度 DD、曲率半径r、R分别取下面的值。Dl = 2. 7mm1 = 1. 3mmDD = 2. 5mmr = 0. 4mmR = 1. 3mm如以上所说明，本发明中，即使在主体金属壳的螺纹直径为M12以下，或主体金属 壳的前端面的壁厚例如为1. 0 1. 5mm那样不能充分确保尺寸的情况下，也能具有与圆接 地电极同等的火焰成长性，并能实现长寿命化。另外，可以考虑上述第3实施例的各种变型。例如，在上述第3实施例中，外侧弧 状部3403的曲率半径R设定成在绘出假想圆弧VA1、VA2时，与内侧的平面3401的直线部 3401，的延长线VE交叉具有半径R的半圆，但即使这样设定来制作接地电极40也会产生制 造误差，所以在外侧弧状部3403的中点M(第4实施例，参照图7)会产生微小的平面。然 而，若是微小的平面，可以说几乎不对燃烧效率产生影响。此外，通过改变外侧弧状部3403 的曲率半径R使其朝向中点M变大，则可不降低燃烧效率地使接地电极的宽度DD变大(第 5实施例，参照图8)。此外，做成该结构时，可容许1. 81 ^Dl ^ 2. 51程度。此外，在本实施例中，接地电极40不使用芯材，但在为提高性能而特别制作的情 况下，也可以使用公知的Cu芯等。下面，在此验证第3 第5实施例。设上述的交点间距离Dl为2. 7mm，接地电极40的厚度1为1. 3mm，接地电极40的 宽度DD为2. 5mm,曲率半径r为0. 4mm,曲率半径R为1. 3mm,电极头直径d为0. 7mm,间隙 G为1. 1mm，对接合于中心电极10的内侧电极头13的前端与接地电极40中的最靠近中心 电极10的部位之间的间隙H进行各种改变，使得H-G满足下表2所示的关系，如此来分别 制作火花塞100。对做成的火花塞100，在0. 4MPa的大气压条件下使其发生火花放电100次，进行模 拟火花放电试验，此时，不对在接合于接地电极40的外侧电极头43的放电次数进行计数， 而是对在接地电极40母材、用于接合外侧电极头43的熔融部放电的次数进行计数，将其发 生比率示为跳火率。表2
权利要求
1.一种火花塞，包括杆状的中心电极、筒状的绝缘电瓷、主体金属壳和接地电极，该杆 状的中心电极沿火花塞轴线方向延伸；该筒状的绝缘电瓷具有轴孔，以使上述中心电极的 前端从该绝缘电瓷自身的前端面突出的状态将上述中心电极保持在上述轴孔中；该主体金 属壳保持上述绝缘电瓷；该接地电极的一端与上述主体金属壳的前端面接合，从该一端向 另一端延伸；其特征在于，上述接地电极具有面对上述中心电极的内侧面、和相对于该内侧面为背面的外侧面， 从自身的延伸方向的另一端侧看接地电极时，上述外侧面呈弧状曲面，且在上述内侧面上 接合有圆柱状的贵金属电极头，从自身的延伸方向另一端侧看上述接地电极时，上述接地 电极的上述内侧面被通过上述贵金属电极头的外周面中最靠近上述接地电极的部位的、与 电极头轴线方向平行的两条直线划分，该电极头轴线方向是从与上述接地电极接合的部位 突出的方向，将该被划分的内侧面中的上述两条直线之间设为区域A，将该被划分的内侧面中的除 该区域A之外的区域设为区域B，上述区域A的内侧面的曲率半径RA和上述区域B的内侧面的曲率半径RB满足关系 RA ≥ RB。
2.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，由上述中心电极的前端与接合于上述 接地电极的贵金属电极头形成的火花放电间隙G、和上述中心电极前端与上述接地电极之 间的间隙中的最小的间隙H，满足关系0. 5mm ≤ H-G ≤ 1. 0mm。
3.—种权利要求1所述的火花塞的制造方法，是将柱状的贵金属电极头接合到圆柱状 的接地电极的一圆柱侧面而成的火花塞的制造方法，其特征在于，包括通过电阻焊接将上述贵金属电极头暂时固定到上述接地电极的内侧面上的电阻焊接 工序，以及在上述暂时固定后，从全周对上述贵金属电极头与上述接地电极的接合面进行激光焊 接而将其固定接合的工序。
4.根据权利要求3所述的火花塞的制造方法，是将柱状的贵金属电极头激光焊接到圆 柱状的接地电极的内侧面而成的火花塞的制造方法，其特征在于，包括使上述贵金属电极头相对于上述接地电极的内侧面定位的手段；根据上述贵金属电极头的定位状态，改变激光的照射角度或照射位置来进行焊接的手段。
5.根据权利要求3所述的火花塞的制造方法，是将柱状的贵金属电极头激光焊接到圆 柱状的接地电极的内侧面而成的火花塞的制造方法，其特征在于，包括使上述贵金属电极头相对于上述接地电极的内侧面定位的手段；根据上述贵金属电极头的定位状态，改变激光的照射输出功率来进行焊接的手段。
全文摘要
本发明提供一种火花塞及火花塞的制造方法，该火花塞包括中心电极、筒状的绝缘电瓷、主体金属壳和接地电极，该中心电极沿火花塞轴线方向延伸；该筒状的绝缘电瓷具有轴孔，以使上述中心电极的前端从该绝缘电瓷的前端面突出的状态将上述中心电极保持在上述轴孔中；该主体金属壳保持上述绝缘电瓷；该接地电极的一端与上述主体金属壳的前端面接合，从该一端向另一端延伸；其中，上述接地电极具有面对上述中心电极的内侧面、和相对于该内侧面为背面的外侧面，从上述接地电极的延伸方向的上述另一端侧看接地电极时，上述外侧面呈弧状曲面，且在上述内侧面上接合有圆柱状的贵金属电极头。
文档编号H01T21/02GK102122799SQ201010544100
公开日2011年7月13日 申请日期2006年10月11日 优先权日2005年10月11日
发明者吉田和正, 松谷涉, 鸟居计良 申请人:日本特殊陶业株式会社