內燃機用火花塞的製作方法

2023-05-05 08:36:11 1

專利名稱：內燃機用火花塞的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種內燃機用火花塞。
背景技術：
用於如汽車發動機等內燃機的火花塞包括在火花塞的軸線 方向上延伸的中心電極、布置在中心電極徑向外側的絕緣體、 布置在絕緣體徑向外側的圓筒狀金屬殼以及基端部連接於金屬 殼的前端面的4妄地電極。接地電極的截面呈大致長方形，接地 電極的前端部的內表面#皮布置成面對著中心電才及的前端部。結 果，在中心電才及的前端部和接地電極的前端部之間限定火花放 電間隙。
近幾年，含貴金屬合金的電極頭(貴金屬電極頭)分別已經 被安裝到中心電極的前端部和接地電極的前端部。安裝的貴金 屬電極頭改善了耐火花損耗性。特別地，為了改善點火性或火 花傳播能力，稜柱狀貴金屬電極頭被焊接到接地電極的軸側電 極頭面，並且朝向中心電極的軸線突出(例如參見
JP-A-61-45583和JP'A-2002-324650)。
然而，如果如上所述貴金屬電極頭從接地電極的第二端面 朝向軸線突出，那麼貴金屬電極頭的鼓出部就位於與接地電極 的基體材料遠離的位置，因此，熱耗散性能(從接地電極到金屬 殼的熱傳導)不能令人滿意，很容易產生較高的溫度。尤其是在 近幾年使用的發動機中，燃燒溫度已經升高，結杲，接地電極 的前端部向外暴露到較高溫度。
在這種狀態下，貴金屬電極頭和接地電極重複熱膨脹和收 縮，另外，歸因於貴金屬電極頭和接地電極之間的熱膨脹和收縮的尺寸差，當從接地電極的末端面觀察時，在貴金屬電極頭 和接地電極之間的邊界會產生應力差。結果，接地電極和貴金 屬電極頭經歷變形或扭曲。因此，氧氣容易從該邊界侵入，易
於在該邊界形成氧化皮(oxide scale )。因此，由於焊接部形 成的氧化皮導致抗氧化性和耐剝離性降低。

發明內容
本發明是在考慮了以上情況的基礎上而做出的，本發明的 一個目的是提供一種能夠改善點火性和火焰傳播能力並且能夠 防止歸因於氧化皮的耐剝離性降低的內燃機用火花塞。 根據下面的技術方案可實現本發明的上述目的。 (l)在第一方面，本發明提供一種內燃機用火花塞，其包含 棒狀中心電極，該中心電極沿軸向從其前端向其基端延伸；基
本圓筒狀的絕緣體，該絕緣體被布置在所述中心電極的外周，
並且該絕緣體沿軸向從其前端向其基端延伸；基本圓筒狀的金
屬殼，該金屬殼被布置在所述絕緣體的外周，並且該金屬殼沿 軸向從其前端向其基端延伸；接地電極，該接地電極包括結合
到所述金屬殼的前端面的基端部和朝向所述中心電極彎曲的末 端部；第一貴金屬電極頭，該第一貴金屬電極頭被結合到所述 接地電極的末端部，並且該第一貴金屬電才及頭與所述中心電極 的前端部相對從而限定間隙，所述第一貴金屬電極頭的一部分 被埋設在所述接地電極中，所述第一貴金屬電極頭的另一部分 從所述接地電極的所述末端部的末端面沿突出方向突出，使得 滿足關係A》0.25mm，其中，A(mm)是所述第 一貴金屬電極頭 從所述接地電極的末端部的末端面的突出長度；以及鼓出部， 該鼓出部在所述第 一 貴金屬電極頭和所述接地電極的末端面之 間的邊界處沿寬度方向覆蓋所述第 一 貴金屬電極頭的至少中央部。在一個優選實施例中，鼓出部含有與接地電極中含有的金 屬性材料相同的金屬性材料。
根據第一方面，貴金屬電極頭從接地電極的末端面突出，
並且滿足關係A> 0.25mm,其中，A(mm)是從接地電極的末端 面突出的突出長度。結果，能夠提高耐火花損耗性、點火性和 火花傳播能力。
另一方面，貴金屬電極頭的突出端部能夠容易地達到高溫。 貴金屬電極頭和接地電極的之間的邊界(當從接地電極的末端 面觀察時)經受應力差，結果，容易發生變形或扭曲。因此， 氧氣可能從邊界侵入。尤其是當如上所述地滿足關係A > 0.25mm時，由氧化皮的形成產生剝離(電極頭的脫落)的趨勢進 一步增加。然而，在第一方面的優選實施例中，包含與接地電 極包含的金屬性材料相同的金屬性材料的鼓出部設置在貴金屬 電極頭和接地電極的末端面之間的在寬度方向上延伸的邊界 處，從而覆蓋貴金屬電極頭的至少中央部。因此，具有預定厚 度的鼓出部封閉了貴金屬電極頭和接地電極之間的間隙，並且 用作抗氧氣侵入的屏障。因此，能夠控制由氧氣從邊界侵入而 產生的氧化皮的形成。另外，鼓出部也用作貴金屬電極頭和接 地電極之間的應力減小層。這些功能的協同效果，能夠有效地 增強貴金屬電極頭的耐剝離性。
特別是，設置鼓出部從而在邊界處覆蓋貴金屬電極頭的至 少中央部(在寬度方向上的中央部)。因此，即使存在沒有鼓出 部的區域，該暴露區域與鼓出部設置在貴金屬電極頭的邊緣的 情況相比也比較窄。因此，能夠更有效和容易地防止氧氣侵入。
(2)在第二方面，本發明提供根據第一方面的火花塞，滿 足關係E/B》0.5,其中，B(mm)是所述第一貴金屬電極頭的寬 度，El(mm)是所述鼓出部在從所述邊界沿軸向偏離0.05mm且在寬度方向上延伸的線上的長度，E2(mm)是所述鼓出部在從 所述邊界沿突出方向偏離0.05mm且在寬度方向上延伸的線上 的長度，E(mm)是長度El和長度E2中較短的一方。
根據第二方面，鼓出部不是位於邊界的薄部，並是具有預 定的體積。
換句話說，在第二方面，鼓出部在寬度方向上的尺寸佔據 貴金屬電極頭在寬度方向上的一半以上，即使是在從在寬度方 向上延伸的邊界分別沿軸線方向和突出方向偏離的位置處。結 果，能夠更可靠地防止氧氣侵入，並且能夠更可靠地實現根據 第 一 方面的火花的塞操作和效果。
火花塞中的放電方向不限於本發明的第一和第二方面。然 而，放電方向可以是如以下說明的第三、第四和第五或者第六 方面限定的方向。
(3) 在第三方面中，本發明提供根據第一或第二方面的火 花塞，其中，所述第一貴金屬電極頭在所述突出方向上的突出 端面與所述中心電才及的前端部相對，以允許在與軸向基本上垂 直的方向上火花》文電。
(4) 在第四方面中，本發明提供根據第三方面的火花塞， 其中，滿足關係F》0.1G，其中，F(mm)是所述鼓出部在所述 突出方向上的突出端和所述第一貴金屬電極頭的突出端面之間 的距離，G(mm)是所述間隙的最短距離。
(5) 在第五方面中，本發明提供根據第三或第四方面的火 花塞，其中，所述中心電極包括中心電極主體和結合到所述中 心電極主體的前端部的第二貴金屬電極頭，其中，所述中心電 極主體和所述第二貴金屬電極頭經由熔融結合部彼此結合，所 述中心電極主體和所述第二貴金屬電極頭的金屬性成分在該熔 融結合部熔合，在所述第二貴金屬電極頭的外周面和所述第一貴金屬電極頭的所述突出端面之間設置所述間隙，以及滿足關
系H》1.05xG，其中，H(mm)是所述第一貴金屬電極頭和所述 熔融結合部之間的最短距離，G(mm)是所述間隙的最短距離。
因此，第 一和第二方面能夠在如第三到第四方面 一樣的沿 水平方向進行火花放電類型的火花塞中實現。結果，能夠進一
步提高火焰傳播能力。
尤其在第四方面中，滿足關係F》0.1G,其中，F(mm)是 鼓出部在突出方向上的突出端與貴金屬電極頭的突出端面之間 的距離，G(mm)是間隙(用於火花放電)的最短距離。因此，可 以在貴金屬電極頭和中心電極的前端部之間更可靠地完成火花 ;改電。換句話-說，抑制鼓出部和中心電才及的前端部之間的火花 放電。因而，通過抑制鼓出部的火花腐蝕(spark erosion), 能夠長時間地維持突出部，能夠長時間維持防止貴金屬電極頭 剝落的效果。
另外，在如上所述的火花放電在水平方向上完成的類型的 火花塞中，如第五方面一樣，如果通過將中心電極用貴金屬電 極頭焊接到中心電極的前端形成熔融結合部，則在熔融結合部 和貴金屬電極頭之間可能發生火花放電。關於該方面，在第五 方面中，滿足關係H〉1.05G,其中，H(mm)是貴金屬電極頭 和熔融結合部之間的最短距離，G(mm)是間隙的最短距離。因 此，熔融結合部和貴金屬電極頭之間的飛火率可以相當低。另 外，能更可靠地防止由在熔融結合部和貴金屬電極頭之間火花 放電的發生產生的如中心電極用貴金屬電極頭剝落的缺陷。
(6)在第六方面中，本發明提供根據第一或第二方面的火花 塞，其中，所述第一貴金屬電極頭的基端面在軸向上與所述中 心電極的所述前端部相對，以允許大致沿軸向火花》文電。
更優選的，特別是，可以採用下面的第七、第八和第九方面。
(7) 在第七方面中，本發明提供根據第 一 到第六方面中的任 一方面的火花塞，其中，所述第一貴金屬電極頭的前端面被定 位在所述軸向上比所述中心電極的前端更靠前端側的位置。
在第七方面中，鼓出部位於比中心電極的前端面更靠前端 側的位置，因此，能夠更可靠地抑制鼓出部和中心電極之間發 生火花放電。結果，能夠更容易地防止鼓出部的腐蝕。
(8) 在第八方面中，本發明提供根據第一到第七方面中的任 一方面的火花塞，其中，所述第一貴金屬電極頭的寬度比所述 中心電極的前端部的直徑或寬度大。
第八方面的火花塞抑制中心電極的前端部和接-地電極的一 部分(與貴金屬電極頭的不同的部分)之間發生火花放電。換句 話說，能夠更可靠地實現貴金屬電極頭之間的正常火花放電。
(9) 在第九方面中，本發明提供根據第一到第七方面中的
任一方面的火花塞，其中所述第一貴金屬電極頭為稜柱狀。
採用如第九方面中的稜柱狀貴金屬電極頭促進在稜部火花 放電，使可以更可靠地實現在貴金屬電極頭發生的正常火花放電。
在各方面的火花塞中，不限制將第一貴金屬電極頭結合到
接地電糹及的方法，也可以採用以下方面。
(10) 在第十方面中，本發明提供根據第一到第九方面中的
任一方面的火花塞，其中，通過電阻焊接使第一貴金屬電極頭 結合到接地電極。
如在各方面中，因為僅第一貴金屬電極頭的一部分被埋設 在接地電極中時，通過雷射束焊接或電子束焊接完成結合作業 可能是困難的。因此，如在第十方面中，能夠比較平穩地完成 通過電阻焊接使第 一 貴金屬電極頭結合到接地電極的末端部的結合作業。
能夠以如下方法製造上述各方面的火花塞。 (ll)在第十一方面，本發明提供一種製造第一到第十方
面中的任一方面的火花塞的方法，所述方法包括在將所述第 一貴金屬電極頭壓靠到所述接地電極的鄰近所述末端面的平坦 面上的狀態，通過電阻焊接將所述第 一 貴金屬電極頭結合到所 述接地電極，使得所述貴金屬電極頭從所述平坦面埋入0.3mm 以上的距離，從而使所述接地電極的成分在所述邊界處突出並 且形成所述鼓出部。
第十 一方面的製造方法能夠節省重新在邊界設置鼓出部的 耗時工作所花費的時間。換句話說，當通過電阻焊接將第一貴 金屬電極頭結合到接地電極的遠端部時，貴金屬電極頭被埋入 比較大得量的0.3mm以上的長度，並且接地電極的構成分分在 邊界突出。結果，形成鼓出部。因此，能夠防止增加工時數量 和增加成本等。


圖l是示出本發明的一個實施例的火花塞的結構的局部正 剖視圖2是火花塞的局部放大剖視圖； 圖3是主要部分的放大示意圖4是從垂直於圖3的方向觀察時接地電極的側視圖； 圖5的(a)是接地電極末端的主要部分的立體圖，圖5的(b) 是示出鼓出部和其它元件的局部立體圖6是示出氧化皮比率與突出量的關係的曲線圖7是示出氧化皮比率與E/B的關係的曲線圖8是示出鼓出部處的飛火率與F/G的關係的曲線圖；圖9是示出氧化皮等的長度的概念的剖視示意圖IO是示出另 一實施例中的火花塞的局部放大剖視圖IIA到圖IIC是另 一實施例中的接地電極的示意性剖視
圖12是從前方觀察時火花塞的一部分的照片； 圖13是從前方觀察時接地電極和貴金屬電極頭的照片； 圖14是從前端側觀察時接地電極、貴金屬電極頭和中心電 極用貴金屬電極頭的照片；
圖15是從中心電極側觀察時貴金屬電極頭和其它元件的照
片；
圖16是從基端側觀察時接地電極、貴金屬電極頭和中心電 極用貴金屬電極頭的照片；
圖17是從前方觀察時火花塞的一部分的照片； 圖18是從前方觀察時接地電極和貴金屬電極頭的照片； 圖19是從前端側觀察時接地電極和貴金屬電極頭的照片； 圖20是從中心電極側觀察時貴金屬電極頭和其它元件的照
片；
圖21是從基端側觀察時接地電極、貴金屬電極頭和中心電 極用貴金屬電極頭的照片。
具體實施例方式
參照附圖，描述本發明的一個實施例。然而，本發明不應 被局限於此。圖l是火花塞l的局部剖視圖。在描述中，火花塞 1的軸線C L1的方向(也稱為軸向)對應於圖1中的上下方向。另 外，圖l中的下側對應於火花塞l的前端側，圖l中的上側對應 於火花塞l的基端側。
火花塞1包括作為絕緣材料的絕緣體2和保持絕緣體2的筒狀金屬殼3。
絕緣體2具有沿著軸線CL1貫穿絕緣體2的軸向孔4。中心 電極5被插入且固定到軸向孔4的前端部，而端子電極6被插入 且固定到軸向孔4的基端部。電阻7^皮置於軸向孔4中的中心電 極5和端子電極6之間。電阻7的兩端分別經由導電玻璃封接層8 和9電連4妄到中心電才及5和端子電才及6。
中心電才及5被固定成從絕緣體2的前端突出，端子電極64皮 固定成從絕緣體2的基端突出。將銥作為主要成分的貴金屬電 極頭(中心電極用貴金屬電極頭)31通過焊接結合到中心電極5 的前端。
另一方面，通過燒結氧化鋁或類似物形成絕緣體2，並且， 絕緣體2的外形包括凸緣狀的大直徑部ll,其在軸線CL1方向 上的大致中央部徑向向外突出；中間主幹(barrel)部12,其 被布置在前端側，且直徑小於大直徑部ll的直徑；和支腿(leg) 部13,其被布置在前端側，直徑小於中間主幹部12的直徑，並 且被暴露於內燃機的燃燒室。包括大直徑部ll、中間主幹部12 和支腿部13的絕緣體2的前端部被容納在筒狀金屬殼3內。在支 腿部13與中間主幹部12之間的連接部形成臺階(step)部14， 該臺階部14使絕緣體2與金屬殼3牢固接合。
金屬殼3含如低碳鋼等金屬，且形成為圓筒形。金屬殼3的 外周面設置有用於將火花塞l安裝到發動機的氣缸蓋(cylinder head)的螺紋部15 (陽螺紋部)。在螺紋部15的基端側的外周 面上形成座部16。環狀墊圏18淨皮裝配到螺紋頸(screw neck) 17，該螺紋頸17形成在螺紋部15的基端。在金屬殼3的基端側 布置具有六邊形截面的工具接合部19,當將金屬殼3安裝到被 布置在金屬殼3的基端側的氣缸蓋時，該工具接合部19用於與 如扳手等工具接合。另外，用於在絕緣體2的基端部保持絕緣體2的彎邊(crimping)部20被布置在金屬殼3的基端側。
金屬殼3的內周面設置有用於接合絕緣體2的臺階部21。將 絕緣體2從金屬殼3的基端側朝向前端側插入金屬殼3,使絕緣 體2的臺階部14牢固地與金屬殼3的臺階部21接合。在該狀態 下，金屬殼3的基端側上的開口被徑向向內地收緊，即，形成 彎邊部20，結果，使絕緣體2牢固固定。環狀板片密封墊(plate packing) 22被置於絕緣體2的臺階部14和金屬殼3的臺階部21 之間。因此，燃燒室的氣密性得到維持，使得進入向燃燒室暴 露的絕緣體2的支腿部13與金屬殼3的內周面之間的間隙的燃 料氣體不能向外洩漏。
另外，通過彎邊更好地實現密封，環狀圈構件23和24在金 屬殼3的基端側被置於金屬殼3和絕緣體2之間，圏構件23和24 之間的間隙用滑石粉25填充。換句話說，金屬殼3藉助於板片 密封墊22、圏構件23和24以及滑石粉25來保持絕緣體2。
接地電極27的截面為基本L形，該接地電極27被結合到金 屬殼3的前端面26。更具體地，接地電極27包括被焊接到金屬 殼3的前端面26的基端部和朝向軸線CL1側彎曲的末端部，使 末端部的末端面可以幾乎正對中心電極用貴金屬電極頭31的 外周面。在本實施例中，接地電極27設置有貴金屬電極頭32, 該貴金屬電極頭32布置成面對中心電極用貴金屬電極頭31。更 詳細地，貴金屬電極頭32被焊接到接地電極27,使得貴金屬電 極頭32的一部分嵌入接地電極27中，而貴金屬電極頭32的另一 部分從位於接地電極27的軸線CL1側的末端面27s朝向軸線 CL1突出(圖2)。貴金屬電極頭31和32之間的間隙用作火花放 電間隙33。因此，在本實施例中，火花放電發生在與軸線CL1 方向基本垂直的方向。
如圖2所示，中心電極5包括含銅或銅合金的內層5A以及含鎳(Ni)合金的外層5B。中心電極5包括直徑減小的前端部， 整體上具有棒狀(圓柱狀)形狀，並且具有平的前端面。中心 電極用圓柱狀貴金屬電極頭31被置於中心電極的前端面上，對 所產生的結合區域的外緣進行雷射束焊接或電子束焊接等。結 果，中心電極用貴金屬電極頭31和中心電極5^皮熔合，形成熔 融結合部41。換句話說，中心電極用貴金屬電極頭31由熔融結 合部4W皮固定地結合到中心電極5的前端。
另一方面，接地電極27具有兩層結構，該兩層結構包括內 層27A和外層27B。本實施例中的外層27B包含鎳合金，如 INCONEL(商品名)600或601,而內層27A含鎳合金或比上 述的鎳合金導熱性好的純銅。內層27A改善散熱性能。在本實 施例中，4^地電才及27的截面為基本長方形。
如上所述，-故布置中心電極5側的中心電極用貴金屬電極 頭31包含銥作為主要成分，然而，被布置在接地電極27側的貴 金屬電極頭32含貴金屬合金，該貴金屬合金包含20質量％的量 的銥以及如柏等主要成分。然而，這些材料組份作為例子而被 提及，但是本發明並不限於此。例如，可以以如下方式製造貴 金屬電極頭31和32。首先，製備含銥或鉑作為主要成分的坯料 (ingot),接著，使各合金元素混合熔化而形成上述的預定組 成，然後，從熔化的合金再次形成坯料，對該二次坯料進行熱 鍛和熱軋(型軋，groove rolling )。然後7十如此加工的合金進 行拉絲(wire drawing),最終得到棒狀材料。然後，將棒狀 材料切割成預定長度，最後獲得稜柱狀貴金屬電極頭3 2和中心 電極用圓柱狀貴金屬電極頭31。
如上所述，貴金屬電極頭32從接地電極27的末端面27s朝 向軸線CL1突出。尤其在本實施例中，使貴金屬電極頭32電阻 焊接到接地電極27,使得貴金屬電極頭32的一部分如圖3、 4、5A和5B所示被埋設在接地電極27中，並且滿足關係A > 0.25mm，其中A(mm)是貴金屬電極頭32從末端面27s突出的突 出長度。包含與接地電極27的外層27B相同的鎳合金的鼓出部 (bulge portion) 51被布置於邊界D,該邊界D在貴金屬電極 頭32和接地電極27的末端面27s之間在寬度方向上延伸，從而 在寬度方向上覆蓋貴金屬電極頭32的至少中央部(例如，參見圖 5的(a)和(b))。鼓出部51將被更詳細地描述。鼓出部51滿 足關係E/B》0.5,其中，B(mm)是貴金屬電極頭32的寬度， El(mm)是鼓出部51在沿寬度方向延伸並且乂人該邊界在軸向上 偏離0.05mm的線上的長度，E2(mm)是鼓出部51在沿寬度方向 延伸並且從邊界D沿突出方向偏離0.05 mm的線上的長度， E(mm)是長度El和長度E2中較短的一方。也就是，比較厚的 鼓出部51的體積充分得大，以利用鼓出部51在寬度方向上覆蓋 邊界D的至少中央部。
另外，本實施例中，滿足關係F》0.1G,其中，F(mm)是 鼓出部在突出方向上的突出端和貴金屬電極頭32的突出端之 間的距離，G(mm)是火花放電間隙33的最短距離(參見圖3)。 該尺寸特徵抑制鼓出部51和中心電極用貴金屬電極頭31之間 火花放電。另外，滿足關係H》1.05 x G,其中，H(mm)是貴 金屬電極頭32和熔融結合部41之間的最短距離(參見圖3)。結 果，熔融結合部41和貴金屬電極頭32之間的飛火率(sparking rate )減少。
另外，貴金屬電極頭32的在軸線CL1方向上位於前端側的 表面32a位於比中心電極用貴金屬電極頭31的前端面靠前端側 (圖3中的上側)的位置(換句話說，鼓出部51位於比中心電極用 貴金屬電極頭31的前端面更靠前端側的位置)。該結構特徵抑制 鼓出部51和中心電極用貴金屬電極頭31之間的火花放電。另中心電極用貴金屬電極頭31 的直徑Z。這使得可以更可靠地實現中心電極用貴金屬電極頭 31和貴金屬電極頭32之間的正常火花放電。
接著，將給出對火花塞l的製造方法的描述，以製造接地 電極27等的過程為中心。首先對金屬殼3進行預加工。詳細地， 圓柱形金屬性材料(例如，不鏽材料或如S15C或S25C的鐵基材 料)被冷鍛，以形成通孔，從而形成金屬殼3的輪廓。其後，得 到的材料被切削加工以調整輪廓，從而得到金屬殼中間體。
另 一方面，製造接地電極27用半成品(semi-finished )材 料。也就是，接地電極27用半成品材料是還沒有被彎曲的棒狀 材料。例如，還沒有被彎曲的4妄地電極27可以通過以下方式得 到。
詳細地，製備含用於內層27A的金屬性材料的芯和含用於 外層27B的金屬性材料的帶底筒狀體(未示出)。其後，通過將芯 裝配到帶底筒狀體的凹部形成杯狀材料。其後，對具有兩層結 構的杯狀材料進4亍冷細力口工(cold thinnin g process )。例如, 利用模具(die )等進行的拉絲加工或利用陰模等進行的出成形 加工可以作為冷細化加工。其後，例如，對得到的材料進行型 鍛加工，結果，形成直徑減小的棒狀產品。
其後，仍沒有被彎曲和沒有被安裝到電極頭的接地電極 2 7 (棒狀產品)通過電阻焊接被結合到金屬殼中間體的前端面。 由於在電阻焊接時產生所謂的"垂流物(sag)",需要進行除 去"垂流物，，的操作。該實例中，在進行型鍛加工、切削加工 等過程之後，仍沒有被彎曲的接地電極27通過電阻焊接被結 合。然而，在進行細化加工之後，棒狀產品可以被結合到金屬 殼中間體。其後，可以進行型鍛加工，然後可以進行切削加工。
如果這樣，當進行型鍛加工時，在保持金屬殼中間體的狀態下，可以將結合到金屬殼中間體前端面的棒狀產品從前端側引導到 鍛造機的加工部(型鍛模)中。因此，不必故意地將棒狀產品設 定成較長的長度，以在進行型鍛加工時確保用於保持的部分。
此後，在金屬殼中間體的預定部位通過制螺紋而形成螺紋
部15。結果，得到焊接了彎曲之前的接地電極27的金屬殼3。 對金屬殼3和其它元件進行鍍鋅或鍍鎳。為改善耐腐蝕性，可 以金屬殼3的表面進一步進行4各酸鹽處理(chromating)。
另一方面，如上所述地形成貴金屬電極頭32，通過電阻焊 接將貴金屬電極頭32結合到接地電極27。此時，在貴金屬電極 頭32被壓靠到接地電極27的平坦面(圖2中的下端面)而沒有在 接地電極27形成凹槽等的狀態下，對貴金屬電極頭32進行電阻 焊接。貴金屬電極頭32被埋設在接地電極27的平坦面中0.3mm 或以上的長度。由接地電極27的外層27B的構成成分-鎳合金形 成鼓出部51,以由電阻焊接伸出到邊界D外。為了更可靠地進 行焊接，在焊接操作之前從焊接部去除任何電鍍層存在，或者 在電鍍過程中將待焊接部遮蓋住。另外，可以在進行下述的安 裝操作之後焊接貴金屬電極頭32。
另一方面，獨立於金屬殼3，成形絕緣體2。例如，利用含 粘合劑和作為主要成分的氧化鋁的原料粉末製備用於成形的基 礎4且泮牛(base granulation material), 進4亍才象月交壓製成形 (press molding)以得到筒狀成形體。對得到的成形體進行研 磨和整形。其後，將整形後的成形體放入焙燒爐進行焙燒，結 果，得到絕緣體2。
獨立於金屬殼3和絕緣體2，製造中心電極5。詳細地，鍛 造Ni基合金，為提高熱輻射將銅芯設置在Ni基合金的中間。其 後，上述中心電極用貴金屬電極頭31通過雷射束焊接等方法被 結合到中心電極的前端部。如此得到的結合了中心電極用貴金屬電極頭31的中心電 極5和端子電極6藉助於玻璃封接材料(未示出)被氣密性地固定 到絕緣體2的軸孔4。通常，通過混和硼矽酸鹽玻璃和金屬粉末 形成的密封劑用作玻璃封接材料。其後，首先將中心電極5插 入絕緣體2的軸孔4中，然後，將製備的密封劑放入絕緣體2的 軸孔4中，然後乂人後方對端子電極6施壓，將該組合件在爐中焙 燒。此時，可以在絕緣體2的基端側的主幹部的表面上同時焙 燒釉層，或者可以預先形成釉層。
其後，具有分別如上構造的中心電極5和端子電極6的絕緣 體2以及具有如上構造的直棒狀接地電極27的金屬殼3被組裝 到一起。詳細地，對金屬殼3的形成為比較薄的基端部進行冷 巻邊(crimping)或熱巻邊，因此保持為由金屬殼3從圓周方 向環繞絕緣體2的 一部分。
最後，使直棒狀接地電極27彎曲，進行調節中心電極用貴 金屬電極頭31和貴金屬電極頭32之間的火花放電間隙33的處 理。
由隨後的這些系列步驟製造如上構造的火花塞1 。 如上所詳細描述的那樣，根據本實施例，稜柱狀貴金屬電 極頭32從接地電極27的末端面27s向軸線CLl突出，滿足關係A >0.25mm,其中A(mm)是突出長度。結果，能夠提高耐火花 損耗性、點火性和火花傳播能力。
另一方面，由於稜柱狀貴金屬電極頭32形成為滿足關係A > 0.25mm，存在由氧化皮的形成而產生貴金屬電極頭剝離(電 極頭的脫落)的擔心。考慮到上述情況，在本實施例中，含與接 地電極27的外層27B相同的鎳合金的鼓出部51以如下方式設置 在貴金屬電極頭3 2和接地電極2 7的末端面2 7 s之間沿寬度方向 延伸的邊界D處覆蓋貴金屬電極頭32的至少中央部。另外，鼓出部51有足夠的體積和寬度。因此，鼓出部51用作抵抗氧氣 入侵的屏障，乂人而控制氧化皮的形成。鼓出部51還用作應力減 小層。由於這些功能的協同效應，貴金屬電極頭32的耐剝離性 能提高。
為確保上述效果，通過改變突出長度"A"或通過修改鼓 出部51形成了不同的樣品，並進行了各種評價。實驗結果在下 面給出。
作為第一個實驗，製備具有各種改變的突出長度"A"的 樣品，評價氧化皮發展的程度。詳細地，製備具有各種不同突 出長度"A"的接地電極樣品，然後進行臺式燃燒器(desk burner)評價試驗(如下進行試驗將用燃燒器加熱樣品2分鐘 使得電極頭在其末端的溫度達到110 0 。C然後慢冷卻樣品1分鐘 作為l個周期，重複進行1000個周期)，然後對進行試驗的樣品 的截面進行觀察，評價產生氧化皮的長度K(參見圖9的示意圖) 與接地電極27和貴金屬電極頭32之間的界面區域的長度J(也 參見圖9的示意圖)的比率。這裡，氧化皮比率超過50%被認為 是剝離界限。測示結果示出在圖6中。
如圖6所示，如果貴金屬電極頭的突出長度"A"是0.25mm 以上，氧化皮比率超過50%，因此達到剝離界限。換句話說， 如果突出長度"A"被設定到0.25mm以上從而改善點火性和火 花傳播能力，由氧化皮的形成產生的剝離(電極頭的脫落)更容 易發生。
其後，作為第二個實驗，製備具有各種不同E/B比值的樣 品，其中，B(mm)是貴金屬電極頭的寬度，El(mm)是鼓出部 在沿寬度方向延伸並且從邊界線沿軸向偏離0.05 mm的線上的 長度，E2(mm)是鼓出部在沿寬度方向延伸並且沿突出方向偏 離0.05 mm的線上的長度，E(mm)是長度El和長度E2中較短的一方。以與第一個實驗相同的方式，進行臺式燃燒器試驗，
評價如此得到的氧化皮比率。測試結果示出在圖7中。在圖7中， 菱形點示出E1二E2時的結果，圓形點示出E1E2(E1/B=0.6 , E2/B二0.4)時的結果。
如圖7所示，當E/B是0.5以上時，氧化皮比率降至50%以 下。也就是，鼓出部有預定的體積，並且被構造成使得鼓出部 在寬度方向上的尺寸佔據超過貴金屬電極頭一半的寬度，即使 是在從寬度方上的邊界分別沿軸向和突出方向偏離的位置。結 果，更可靠地防止氧氣侵入，並且能夠有效地控制氧化皮的發 生。另外，當長度E1和E2不相等時，通過使長度E1和長度E2 中較小的 一 方符合關係E / B > 0.5 (在圓形點和三角形點二者中， 能夠得到與E/B=0.4對應的結果)。
最後，作為第三個實驗，製備具有各種不同的距離F與最 短距離G的比值的火花塞樣品，其中，F(mm)是鼓出部在突出 方向上的突出端和貴金屬電極頭的突出端面之間的距離， G(mm)是火花放電間隙的最短距離，測量此時鼓出部中火花(火 花放電)發生率。測試結果示出在圖8中。
如圖8所示，如果F/G的值為0.10以上，則火花放電正常完 成，而不在鼓出部中飛火。相反，如果F/G的值降到0.10以下， 則鼓出部中飛火發生率增加。因此，滿足關係F》0.1G的結構 抑制鼓出部51和中心電極用貴金屬電極頭31之間火花放電，因 此能在較長的時間防止貴金屬電極頭32的剝離。
儘管根據本發明的實施例給出了上述描述，本發明不限於 此。實質上，當然地，可以採用實現本發明公開的原理的各種 方式，而不脫離所附的權利要求的精神和範圍。例如，可以以 如下方式實現本發明。(a) 在上述實施例中，貴金屬電極頭32從接地電極27的末 端面27s朝向軸線CLl突出，中心電極用貴金屬電極頭31的外 周和貴金屬電極頭3 2之間的間隙限定火花放電間隙3 3 。換句話 說，在上述實施例中，火花放電發生在基本上垂直於軸線CL1 方向的方向上。與此相反，如圖10所示，可以採用以下結構 貴金屬電極頭32在軸線CL1方向上的端面(即，圖IO中的下端面) 被布置成面對中心電極用貴金屬電極頭31的前端面(或者，作為 可選方案，布置成面對中心電極5的前端面)。換句話說，本發 明的火花塞可以實現為火花放電發生在大致軸線CL1方向上的 類型的火花塞。
(b) 在上述實施例中，使用了具有長方形截面的接地電極 27。然而，接地電才及27的截面形狀不限於長方形。例如，可以 使用具有如圖IIA所示的多角形(圖IIA中為八角形)截面的接 地電極271 ，可以使用具有如圖IIB所示的長圓形截面的接地電 極272,可以使用具有如圖IIC所示的通過平坦化(flattening) 圓形的一部分而得到平坦面的截面的接地電極273,或者可以 使用具有橢圓形截面或梯形截面的接地電極(未示出)。
(c) 上述實施例中的圖中示出的鼓出部51為示意性的表 示。因此，可以在不背離本發明的要旨的範圍內形成鼓出部。 例如，圖12是從前方觀察時火花塞的局部照片，圖13是從前方 觀察時接地電極和貴金屬電極頭的照片，圖14是從前端側觀察 時接地電極、貴金屬電極頭和中心電極用貴金屬電極頭的照片， 圖15是從中心電極側觀察時貴金屬電極頭和其它元件的照片， 圖16是從基端側觀察時接地電極、貴金屬電極頭和中心電極用 貴金屬電極頭的照片。
另外，圖17到圖21示出在變型例(a)中描述的火花放電 發生在大致軸線CL1方向的火花塞的照片。詳細地，圖17是從前方觀察時火花塞的局部照片，圖18是從前方觀察時接地電極
和貴金屬電極頭的照片，圖19是從前端側觀察時接地電極和貴 金屬電極頭的照片，圖20是從中心電極側觀察時貴金屬電極頭 和其它元件的照片，圖21是從基端側觀察時接地電極、貴金屬 電極頭和中心電極用貴金屬電極頭的照片。
各圖中的各數值示出各部件的尺寸，各數值的單位均為 "mm"。
(d) 在上述實施例中，在將貴金屬電極頭32壓靠在接地電極 27的接近末端面27s的平坦面上而不在接地電才及27中形成凹槽 等的狀態下，電阻焊接貴金屬電極頭32。貴金屬電極頭32的一 部分被埋入接地電極27的平坦面的0.3mm以上的長度，通過使 接地電極27的外層27B的構成成分-鎳合金伸出邊界D來形成 鼓出部51。相反，可以形成凹槽，可以焊接貴金屬電極頭從而 在凹槽中埋設貴金屬電極頭的一部分。另外，可以以相應的方 式通過將鎳合金等重新結合到邊界D來設置鼓出部51。
(e) 在上述實施例中，作為形成中心電極用貴金屬電極頭31 的材料通過焊接被結合到中心電極5的前端。然而，可以採用 不使用中心電極用貴金屬電極頭31的結構。
(f) 在上述實施例中，為方便描述，接地電極27被描述成僅 具有兩層結構。然而，接地電極27可以具有三層結構或者具有 四層以上的多層結構。優選地，設置在外層27B內側的內層含 有具有比外層27B的導熱性大的導熱性的金屬。例如，含銅合 金或純銅的中間層可以設置在外層27B內側，含純鎳的最內層 可以設置在中間層內側。另外，也可以使用具有僅鎳制單層結 構而不是多層結構的接地電極27。
本申請基於2007年11月20日遞交的日本專利申請 NO.2007-300824,該日本專利申請的全部內容通過引用包含於 此。
權利要求
1. 一種內燃機用火花塞，其包括棒狀中心電極，該中心電極沿軸向從其前端向其基端延伸；基本圓筒狀的絕緣體，該絕緣體被布置在所述中心電極的外周，並且該絕緣體沿軸向從其前端向其基端延伸；基本圓筒狀的金屬殼，該金屬殼被布置在所述絕緣體的外周，並且該金屬殼沿軸向從其前端向其基端延伸；接地電極，該接地電極包括結合到所述金屬殼的前端面的基端部和朝向所述中心電極彎曲的末端部；第一貴金屬電極頭，該第一貴金屬電極頭被結合到所述接地電極的末端部，並且該第一貴金屬電極頭與所述中心電極的前端部相對從而限定間隙，所述第一貴金屬電極頭的一部分被埋設在所述接地電極中，所述第一貴金屬電極頭的另一部分從所述接地電極的所述末端部的末端面沿突出方向突出，使得滿足關係A≥0.25mm，其中，A(mm)是所述第一貴金屬電極頭從所述接地電極的末端部的末端面的突出長度；以及鼓出部，該鼓出部在所述第一貴金屬電極頭和所述接地電極的末端面之間的邊界處沿寬度方向覆蓋所述第一貴金屬電極頭的至少中央部。
2. 根據權利要求l所述的火花塞，其特徵在於，滿足關係 E/B>0.5，其中，B(mm)是所述第一貴金屬電極頭的寬度， El(mm)是所述鼓出部在從所述邊界沿軸向偏離0.05mm且在 寬度方向上延伸的線上的長度，E2(mm)是所述鼓出部在從所 述邊界沿突出方向偏離0.05mm且在寬度方向上延伸的線上的 長度，E(mm)是長度El和長度E2中較短的一方。
3. 根據權利要求1或2所述的火花塞，其特徵在於，所述 第一貴金屬電極頭在所述突出方向上的突出端面與所述中心電 極的前端部相對，以允許在與軸向基本上垂直的方向上火花放電。
4. 根據權利要求3所述的火花塞，其特徵在於，滿足關係 F>0.1G,其中，F(mm)是所述鼓出部在所述突出方向上的突 出端和所述第一貴金屬電極頭的突出端面之間的距離，G(mm) 是所述間隙的最短距離。
5. 根據權利要求3所述的火花塞，其特徵在於，所述中心電極包括中心電才及主體和結合到所述中心電才及主體的前端部的 第二貴金屬電極頭，其中，所述中心電極主體和所述第二貴金屬電極頭經由熔 融結合部彼此結合，所述中心電極主體和所述第二貴金屬電極 頭的金屬性成分在該熔融結合部熔合，在所述第二貴金屬電極頭的外周面和所述第一貴金屬電極 頭的所述突出端面之間設置所述間隙，以及滿足關係H〉 1.05xG，其中，H(mm)是所述第一貴金屬 電極頭和所述熔融結合部之間的最短距離，G(mm)是所述間隙 的最短距離。
6. 根據權利要求1或2所述的火花塞，其特徵在於，所述 第一貴金屬電極頭的基端面在軸向上與所述中心電極的所述前 端部相對，以允許大致沿軸向火花》文電。
7. 根據權利要求1或2所述的火花塞，其特徵在於，所述 第 一 貴金屬電才及頭的前端面#:定位在所述軸向上比所述中心電 極的前端更靠前端側的位置。
8. 根據權利要求1或2所述的火花塞，其特徵在於，所述 第一貴金屬電極頭的寬度比所述中心電極的前端部的直徑或寬 度大。
9. 根據權利要求1或2所述的火花塞，其特徵在於，所述 第一貴金屬電極頭為稜柱狀。
10. 根據權利要求1或2所述的火花塞，其特徵在於，通過 電阻焊接使所述第 一 貴金屬電極頭結合到所述接地電極。
11. 根據權利要求1或2所述的火花塞，其特徵在於，所述 鼓出部包含與所述接地電極中包含的金屬性材料相同的金屬性 材料。
12. 根據權利要求1或2所述的火花塞，其特徵在於，所述 鼓出部由源自所述接地電極的金屬性材料形成。
13. 根據權利要求1或2所述的火花塞，其特徵在於，所述 接地電極具有外金屬性層，並且由源自所述接地電極的該外金 屬性層的金屬性材料形成所述鼓出部。
14. 根據權利要求1或2所述的火花塞，其特徵在於，所述 鼓出部由非源自所述接地電極的金屬性材料形成。
15. —種製造權利要求1或2所述的火花塞的方法，所述方 法包括在將所述第一貴金屬電極頭壓靠到所述接地電極的鄰近所 述末端面的平坦面上的狀態，通過電阻焊接將所述第 一 貴金屬 電極頭結合到所述接地電極，使得所述貴金屬電極頭從所述平 坦面埋入0.3mm以上的距離，從而使所述接地電極的成分在所 述邊界處突出而形成所述鼓出部。
全文摘要
一種內燃機用火花塞，其包括棒狀中心電極；絕緣體；金屬殼；結合到金屬殼並朝向中心電極彎曲的接地電極；結合到接地電極的端部並且隔著間隙與中心電極的前端部相對的貴金屬電極頭；和鼓出部。貴金屬電極頭的一部分埋設在接地電極中，貴金屬電極頭的另一部分從接地電極的末端面突出。滿足關係A≥0.25mm，其中，A(mm)是貴金屬電極頭從所述末端面的突出長度。鼓出部覆蓋貴金屬電極頭和所述末端面之間在寬度方向上的邊界的中央部。在一個優選實施例中，鼓出部包含與接地電極中包含的金屬性材料相同的金屬性材料。
文檔編號H01T13/34GK101442187SQ20081018097
公開日2009年5月27日 申請日期2008年11月20日 優先權日2007年11月20日
發明者無笹守, 龜田裕之 申請人:日本特殊陶業株式會社