JP2002050448A - スパークプラグおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 中心電極と接地電極の少なくとも一方を母材
として、この母材に貴金属もしくはその合金よりなる火
花放電用のチップをレーザ溶接により固定してなるスパ
ークプラグにおいて、チップと母材との接合信頼性を向
上させる。 【解決手段】 レーザ溶接することにより形成された溶
融部６０は、母材としての中心電極３０に最も近い列を
１列目として中心電極３０から離れる方向へ向かって隣
接する列の間で重なるように複数列形成されており、接
合面３１に沿った断面を見たとき、１列目の溶融部６１
の断面積と、１列目の溶融部６１と２列目の溶融部６２
との重なり部の断面積との合計が、チップ５０の断面積
の１．４倍以上になるようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、中心電極と接地電
極の少なくとも一方に貴金属もしくはその合金よりなる
火花放電用のチップをレーザ溶接により固定してなるス
パークプラグおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種のスパークプラグとし
ては、特開平６−１８８０６２号公報や特開平１１−３
７６５号公報に記載のものが提案されている。これらの
ものは、中心電極及び接地電極を備え、中心電極と接地
電極の少なくとも一方を母材とし、この母材の一面を接
合面として、この接合面に火花放電を行うための貴金属
もしくはその合金よりなるチップがレーザ溶接により固
定されてなる。

【０００３】このようなレーザ溶接を用いたチップと母
材との接合によれば、線膨張係数の差の大きいチップ
（Ｉｒ合金やＰｔ合金等）と母材（Ｎｉ基合金等）との
界面に溶融部が形成され、この溶融部を介して接合が行
われるため、抵抗溶接に比べて接合信頼性の高い構成と
することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記ス
パークプラグにおいては、抵抗溶接に比べて接合信頼性
の高いレーザ溶接を採用してはいるものの、チップのサ
イズの増大化やエンジンの熱負荷が厳しくなるにつれ
て、チップと母材との接合部に加わる熱応力が大きくな
り、最悪、チップが母材から脱落してしまう恐れがあ
る。

【０００５】このような問題に対して、上記特開平１１
−３７６５号公報では、溶融部を、母材側から母材を離
れる方向へ向かって複数列形成し、溶融部を厚肉化する
とともにチップと母材との線膨張係数差を小さくするこ
とにより、上記接合部に加わる熱応力を緩和させる方法
が採られている。

【０００６】しかし、本発明者の検討によれば、単純に
溶融部を複数列形成しただけでは、場合によっては十分
な接合信頼性が得られないことがわかった。ちなみに、
上記公報では、複数列形成された溶融部の外観形状しか
記載されておらず、断面形状等、溶融部の詳細構成につ
いては記載がない。

【０００７】本発明は上記問題に鑑み、中心電極と接地
電極の少なくとも一方を母材として、この母材に貴金属
もしくはその合金よりなる火花放電用のチップをレーザ
溶接により固定してなるスパークプラグにおいて、チッ
プと母材との接合信頼性を向上させることを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明では、中心電極（３０）及び接地電
極（４０）の少なくとも一方を母材とし、この母材の一
面を接合面（３１、４３）として、この接合面に火花放
電を行うための貴金属もしくはその合金よりなるチップ
（５０）がレーザ溶接により形成された溶融部（６０）
を介して固定されてなるスパークプラグにおいて、溶融
部を、母材に最も近い列を１列目として母材から離れる
方向へ向かって隣接する列の間で重なるように複数列形
成し、接合面に沿った断面を見たとき、１列目の溶融部
（６１）の断面積と各列の溶融部（６１〜６３）同士の
重なり部の断面積との合計が、チップの断面積の１．４
倍以上になるようにしたことを特徴としている。

【０００９】本発明は、溶融部の断面形状等について鋭
意検討した結果、実験的に見出されたものであり、複数
列形成された溶融部において、１列目の溶融部の断面積
と各列の溶融部同士の重なり部の断面積との合計を、チ
ップの断面積の１．４倍以上にすることにより、チップ
と母材との接合信頼性を向上させ実用レベルにて確保す
ることができる。

【００１０】ここで、請求項２の発明のように、接合面
（３１、４３）に沿った断面を見たとき、２列目以降の
溶融部のうち少なくとも１つの溶融部（６２、６３）に
おいて、当該溶融部の断面積が、当該溶融部と当該溶融
部よりも母材寄りの溶融部（６０）との重なり部の断面
積よりも大きくなっていることが好ましい。

【００１１】本発明によれば、図２に示す様に、チップ
（５０）の内部において、２列目以降の溶融部のうち少
なくとも１つの溶融部（６２）と当該溶融部（６２）よ
りも母材（３０）寄りの溶融部（６１）との間に、チッ
プ（５０）が入り込んだくさび形状となる。そして、チ
ップ（５０）が母材（３０）から離れようとする力が加
わっても、このくさび部分が引っ掛かるため、チップの
脱落防止という点で好ましい構成とすることができる。

【００１２】なお、詳しく言えば、「２列目以降の溶融
部のうち少なくとも１つの溶融部の断面積が、当該溶融
部と当該溶融部よりも母材寄りの溶融部との重なり部の
断面積よりも大きくなっている」とは、当該少なくとも
１つの溶融部が例えば２列目である場合、この２列目の
溶融部の断面積が２列目と１列目の溶融部の重なり部の
断面積よりも大きいこと、また例えば３列目である場
合、この３列目の溶融部の断面積が３列目と２列目の溶
融部の重なり部の断面積よりも大きいことを意味する。
勿論、４列目以降の場合も同様であり、当該少なくとも
１つの溶融部が２列目以降の全ての列の溶融部に相当す
るものであっても良い。

【００１３】また、請求項３の発明では、中心電極（３
０）及び接地電極（４０）の少なくとも一方を母材と
し、この母材の一面を接合面（３１、４３）として、こ
の接合面に火花放電を行うための貴金属もしくはその合
金よりなるチップ（５０）がレーザ溶接により形成され
た溶融部（６０）を介して固定されてなるスパークプラ
グにおいて、チップと接合面との間に、線膨張係数がチ
ップと母材との間の範囲にある緩和層（８０）を介在さ
せ、チップと母材とを、レーザ溶接によって緩和層、チ
ップ及び母材の間の各界面に形成された溶融部（９０）
を介して固定したことを特徴としている。

【００１４】本発明は、チップと母材との線膨張係数差
を低減すべく鋭意検討した結果、実験的に見出されたも
のである。チップと母材との間に、線膨張係数がチップ
と母材との間の範囲にある緩和層を介在させることによ
り、チップと母材との線膨張係数差に起因する熱応力が
緩和層によって緩和される。そのため、チップと母材と
の接合信頼性を向上させることができる。

【００１５】ここで、緩和層について更に検討を進めた
結果、請求項４の発明のように、緩和層（８０）の厚さ
ｔが０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の範囲にあり、母材
の接合面（３１、４３）に沿った断面を見たとき、溶融
部（９０）の断面積をチップ（５０）の断面積で割った
比αが、（１．４−ｔ）／２以上の範囲にあることが好
ましいことが実験的にわかった。それにより、チップと
母材との接合信頼性を実用レベルにて確保することがで
きる。

【００１６】また、請求項１〜請求項４記載の発明は、
チップ（５０）を、Ｉｒが５０重量％以上含有されてい
るようなチップ、即ち母材との線膨張係数差の大きいチ
ップとした場合に特に有効である。

【００１７】また、請求項６の発明は、中心電極（３
０）及び接地電極（４０）の少なくとも一方を母材と
し、この母材の一面を接合面（３１、４３）として、こ
の接合面に火花放電を行うための貴金属もしくはその合
金よりなるチップ（５０）がレーザ溶接により固定され
てなるスパークプラグを製造する方法であって、チップ
と接合面との間に、線膨張係数がチップと母材との間の
範囲にある緩和層（８０）を介在させた後、レーザ溶接
を行うことによって緩和層、チップ及び母材の間の界面
に溶融部（９０）を形成することを特徴としている。本
製造方法によれば、請求項３または請求項４記載のスパ
ークプラグを適切に製造することができる。

【００１８】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一
例である。

【００１９】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）以下、本発明を
図に示す実施形態について説明する。本第１実施形態
は、例えばコージェネレーションにおける発電機のガス
エンジン用のスパークプラグとして用いられる。

【００２０】図１は、本発明の第１実施形態に係るスパ
ークプラグ１００の全体構成を示す半断面図である。本
実施形態では、中心電極と接地電極のうち中心電極を母
材とし中心電極側にチップをレーザ溶接した例を述べる
こととする。図２及び図３には、スパークプラグ１００
の軸方向に沿った中心電極３０とチップ５０との接合部
の断面形状を示す。

【００２１】スパークプラグ１００は、円筒形状の取付
金具（ハウジング）１０を有しており、この取付金具１
０は、図示しないエンジンブロックに固定するための取
付ネジ部１１を備えている。取付金具１０の内部には、
アルミナセラミック（Ａｌ２Ｏ３）等からなる絶縁体２
０が固定されており、この絶縁体２０の一端部２１は、
取付金具１０の一端面１２から露出するように設けられ
ている。

【００２２】中心電極３０は絶縁体２０の軸孔２２に固
定され、絶縁体２０を介して取付金具１０に絶縁保持さ
れている。この中心電極３０は、内材がＣｕ等の熱伝導
性に優れた金属材料、外材がＮｉ基合金等の耐熱性およ
び耐食性に優れた金属材料により構成された円柱体をな
し、その一端面３１は絶縁体２０の一端部２１から露出
している。

【００２３】接地電極４０は、一端４１側の側面が中心
電極３０の一端面３１と対向して配置された角柱状のも
のであり、Ｎｉ基合金等からなる。そして、接地電極４
０は、途中部に曲がり部を有し、他端４２は、取付金具
１０の一端面１２に溶接等により固定され支持されてい
る。

【００２４】そして、本実施形態では、中心電極３０を
母材として、中心電極３０の一端面（本発明でいう接合
面）３１に貴金属もしくはその合金よりなるチップ５０
がレーザ溶接により形成された溶融部６０を介して固定
されている（図２及び図３参照）。

【００２５】そして、チップ５０の先端面と接地電極４
０の一端４１側の側面との間隔が放電ギャップ７０とし
て形成されている。具体的に、チップ５０は、Ｉｒ（イ
リジウム）、Ｉｒ合金、Ｐｔ（白金）、Ｐｔ合金等より
なる円板状のものである。耐熱性等を考慮するとチップ
５０は、Ｉｒが５０重量％以上含有されているものが好
ましい。

【００２６】図２及び図３を参照して、チップ５０と中
心電極（母材）３０との接合部の構成を述べる。本実施
形態では、溶融部６０は、中心電極３０に最も近い列を
１列目として中心電極３０から離れる方向（本例では、
中心電極の軸方向）へ向かって、隣接する列の間で重な
るように複数列（２列以上）形成されている。なお、溶
融部６０の形状は、切断面を金属顕微鏡等で観察するこ
とで知ることができる。

【００２７】図２に示す例（２列構成）では、中心電極
３０寄りから１列目の溶融部６１、２列目の溶融部６２
の２列の溶融部が形成されており、１列目の溶融部６１
と２列目の溶融部６２とが重なり合っている。

【００２８】図３に示す例（３列構成）は、上記２列構
成に更に３列目を追加したものであり、中心電極３０寄
りから１列目の溶融部６１、２列目の溶融部６２、３列
目の溶融部６３の３列の溶融部が形成されている。そし
て、１列目の溶融部６１と２列目の溶融部６２とが重な
り合い、２列目の溶融部６２と３列目の溶融部６３とが
重なり合っている。なお、これら図２及び図３に示す例
以外にも、溶融部６０は４列以上であっても良い。

【００２９】また、各列の溶融部６１、６２、６３は、
中心電極３０の一端面３１（本例では、中心電極の径方
向に相当）に沿ってみたとき、環状の形状となってい
る。ただし、この環状形状は、連続してつながったもの
でも、非連続でつながっていないものでも良い。この複
数列の溶融部６０は次のようにして形成することができ
る。

【００３０】チップ５０を中心電極３０の一端面３１
に、抵抗溶接により仮止めしたり、治具を用いて仮止め
する等により固定した状態で、チップ５０と中心電極３
０との界面部に全周もしくは部分的にレーザを照射する
ことにより、１列目の溶融部６１を形成し、次に、中心
電極３０の軸方向へ照射ポイントをずらして同様にレー
ザを照射することにより、２列目の溶融部６２を形成す
る。図３に示す例では、次に、同様にして３列目の溶融
部６３を形成する。

【００３１】このようにしてチップ５０と中心電極３０
とを溶け込み合わせることで形成された溶融部６０は、
上記界面部の外表面から内部に向かって入り込んだ形と
なる。なお、図２に示す例は、１列目、２列目の順に形
成されたものであり、図３に示す例は、１列目、２列
目、３列目の順に形成されたものであるが、各列の形成
順序は任意として良い。

【００３２】そして、本実施形態では、中心電極（母
材）３０の一端面（接合面）３１に沿った断面を見たと
き、１列目の溶融部６１の断面積と各列の溶融部６１、
６２、６３同士の重なり部の断面積との合計が、チップ
５０の断面積の１．４倍以上になるようにしている。な
お、以下、特に明示していない場合を含めて断面積と
は、中心電極３０の一端面３１に沿った断面積をいう。

【００３３】図２に示す２列構成では、１列目の溶融部
６１の断面積（図中のＡ−Ａ断面における断面積）と、
１列目と２列目の溶融部６１、６２同士の重なり部の断
面積（図中のＢ−Ｂ断面における断面積）との合計が、
チップ５０の断面積（チップの径方向の断面積）の１．
４倍以上になっている。

【００３４】図３に示す３列構成では、１列目の溶融部
６１の断面積（図中のＡ−Ａ断面における断面積）と、
１列目と２列目の溶融部６１、６２同士の重なり部の断
面積（図中のＢ−Ｂ断面における断面積）と、２列目と
３列目の溶融部６２、６３同士の重なり部の断面積（図
中のＣ−Ｃ断面における断面積）との合計が、チップ５
０の断面積（チップの径方向の断面積）の１．４倍以上
になっている。

【００３５】ここで、中心電極３０の一端面３１に沿っ
た断面を見たときの１列目の溶融部６１の断面積とは、
図２、図３に示す様に、溶融部６１の最大溶け込み深さ
ｄ１の部分で見たときの断面積（最大断面積）である。

【００３６】このような各部断面積の関係は、本発明者
が行った実験検討の結果に基づくものである。限定する
ものではないが、この検討の一例を述べる。まず、上記
２列構成について検討した場合を示す。なお、比較のた
めに、溶融部を単列とした単列構成の場合、つまり、図
２において溶融部が一列目の溶融部６１のみのものにつ
いても検討した。この単列構成を図４に示す。

【００３７】本検討において、中心電極３０としてＮｉ
基合金であるインコネル（登録商標）よりなり一端面３
１の径Ｄ１がφ２．７ｍｍのものを使用し、チップ５０
としてＩｒ−１０Ｒｈ（Ｉｒが９０重量％、Ｒｈが１０
重量％の合金）よりなり、径Ｄ２がφ２．４ｍｍ、厚さ
が１．４ｍｍの円板チップを用いた。これら中心電極３
０、チップ５０の仕様は、熱負荷の厳しいコージェネレ
ーション用プラグとして一般的なものである。

【００３８】２列構成（図２参照）については、レーザ
溶接条件を変えることにより、１列目の溶融部６１の溶
け込み深さｄ１、１列目と２列目の溶融部６１、６２同
士の重なり部における重なり深さｄ２を種々変え、１列
目の溶融部６１の断面積と１列目と２列目の溶融部６
１、６２同士の重なり部の断面積との合計（以下、溶融
部合計断面積という）を変えたサンプルを作製した。そ
して、種々の溶融部合計断面積について、上記チップ５
０の断面積との断面積比（溶融部合計断面積／チップ断
面積）をとった。

【００３９】図５は、２列構成において、上記各深さｄ
１、ｄ２を種々変えたときの、上記断面積比（溶融部合
計断面積／チップ断面積）を示した図表である。図５に
おいて、仕様は溶け込み深さｄ１を０．３ｍｍとし
て、重なり深さｄ２を０．１〜０．３ｍｍと変えた場
合、仕様は溶け込み深さｄ１を０．７ｍｍとして、重
なり深さｄ２を０．１〜０．７ｍｍと変えた場合、仕様
は溶け込み深さｄ１を１．１ｍｍとして、重なり深さ
ｄ２を０．１〜１．１ｍｍと変えた場合である。

【００４０】また、比較例としての単列構成（図４参
照）については、レーザ溶接条件を変えることにより、
溶融部６１の溶け込み深さｄ１を種々変え、溶融部６１
の断面積を変えたものを作製した。そして、種々の溶融
部６１の断面積について、上記チップ５０の断面積との
比（溶融部断面積／チップ断面積）をとった。

【００４１】図６は、単列構成において、上記溶け込み
深さｄ１を種々変えたときの、上記断面積比（溶融部断
面積／チップ断面積）を示した図表である。図６におい
て、仕様〜は、それぞれ溶け込み深さｄ１を０．
１、０．３、０．５、０．７、０．９、１．１、１．３
ｍｍと変えた場合である。なお、単列構成の仕様〜
は図４（ａ）に示す様な部分溶融構成、仕様は図４
（ｂ）に示す様なチップ５０と中心電極３０との界面が
全域で溶け合った全域溶融構成である。

【００４２】そして、図５及び図６に示す各仕様につい
て、耐久試験を行い、チップ５０と中心電極３０との接
合信頼性の評価を行った。耐久試験は、６気筒２０００
ｃｃエンジンにスパークプラグを取り付けて実施し、運
転条件は、アイドル１分保持・スロットル全開（６００
０ｒｐｍ）１分保持の繰り返しを１００時間行った。上
記接合信頼性は引っ張り強度で評価し、上記耐久試験後
の引っ張り強度が２００Ｎ以上であれば実用的な信頼接
合性が確保されたものとした。

【００４３】図７は、上記評価の結果得られた２列構成
における断面積比（溶融部合計断面積／チップ断面積）
と引っ張り強度（単位：Ｎ）との関係を示す図である。
図７中の各種プロットにおいて、黒丸プロットは仕様
の新品時、白丸プロットは仕様の耐久試験後、黒三角
プロットは仕様の新品時、白三角プロットは仕様の
耐久試験後、黒四角プロットは仕様の新品時、白四角
プロットは仕様の耐久試験後、をそれぞれ示す。

【００４４】また、図８は、上記評価の結果得られた単
列構成における断面積比（溶融部断面積／チップ断面
積）と引っ張り強度（単位：Ｎ）との関係を示す図であ
る。図８中の各種プロットにおいて、黒丸プロットは新
品時、黒三角プロットは耐久試験後、をそれぞれ示す。

【００４５】まず、図８からわかるように、単列構成で
は、溶融部断面積により新品時の引っ張り強度に差は認
められるが、単列構成において最も接合信頼性に優れた
全域溶融構成を採用した場合であっても、接合信頼性を
実用レベルにて確保することは困難である。

【００４６】一方、図７からわかるように、溶融部合計
断面積及び溶融部６０の断面形状により新品時の引っ張
り強度に差は認められるが、耐久試験後は溶融部の断面
形状に関係なく断面積比が大きいほど（溶融部断面積が
大きいほど）引っ張り強度が大きいといった関係が得ら
れた。

【００４７】これは、溶融部を複数列構成とすることで
単列構成に比べて、溶融部６０を厚肉化するとともにチ
ップ５０と中心電極（母材）３０との線膨張係数差を小
さくすることができ、接合部に加わる熱応力を緩和する
ことができるためである。そして、断面積比（溶融部合
計断面積／チップ断面積）が１．４以上であれば、引っ
張り強度２００Ｎ以上が確保でき、接合信頼性を実用レ
ベルにて確保することができる。

【００４８】次に、上記３列構成（図３参照）について
も同様に検討した。検討に用いたチップ５０、中心電極
３０の仕様は２列構成の場合と同様である。３列構成に
ついて、レーザ溶接条件を変えることにより、図９に示
す様に、１列目の溶融部６１の溶け込み深さｄ１、１列
目と２列目の溶融部６１、６２同士の重なり部における
重なり深さｄ２、２列目と３列目の溶融部６２、６３同
士の重なり部における重なり深さｄ３を種々変えたサン
プルを作製した。

【００４９】そして、各サンプルについて、１列目の溶
融部６１の断面積と、１列目と２列目の溶融部６１、６
２同士の重なり部の断面積と、２列目と３列目の溶融部
６２、６３同士の重なり部の断面積との合計を溶融部合
計断面積とし、この溶融部合計断面積とチップ５０の断
面積との断面積比（溶融部合計断面積／チップ断面積）
をとった。この断面積比も図９に示してある。

【００５０】図９において、仕様は溶け込み深さｄ１
を０．３ｍｍとして、重なり深さｄ２を０．１〜０．３
ｍｍ、重なり深さｄ３を０．１〜０．３ｍｍと変えた場
合、仕様は溶け込み深さｄ１を０．７ｍｍとして、重
なり深さｄ２を０．１〜０．２ｍｍ、重なり深さｄ３を
０．１〜０．２ｍｍと変えた場合、仕様は溶け込み深
さｄ１を１．１ｍｍとして、重なり深さｄ２を０．１ｍ
ｍ、重なり深さｄ３を０．１ｍｍとした場合である。

【００５１】そして、図９に示す各仕様について、上記
と同様に耐久試験を行い、チップ５０と中心電極３０と
の接合信頼性の評価を行った。図１０は、評価の結果得
られた３列構成における断面積比（溶融部合計断面積／
チップ断面積）と引っ張り強度（単位：Ｎ）との関係を
示す図である。

【００５２】図１０中の各種プロットにおいて、黒丸プ
ロットは仕様の新品時、白丸プロットは仕様の耐久
試験後、黒三角プロットは仕様の新品時、白三角プロ
ットは仕様の耐久試験後、黒四角プロットは仕様の
新品時、白四角プロットは仕様の耐久試験後、をそれ
ぞれ示す。図１０からわかるように、３列構成において
も上記２列構成と同様の効果が認められた。

【００５３】以上のような実験検討に基づけば、複数列
形成された溶融部６０において、１列目の溶融部６１の
断面積と各列の溶融部６１〜６３同士の重なり部の断面
積との合計を、チップ５０の断面積の１．４倍以上にす
ることにより、チップ５０と中心電極（母材）３０との
接合信頼性を向上させ実用レベルにて確保することがで
きるといえる。

【００５４】また、本実施形態においては、中心電極
（母材）３０の一端面（接合面）３１に沿った断面を見
たとき、２列目以降の溶融部６２、６３のうち少なくと
も１つの溶融部において、当該溶融部の断面積が、当該
溶融部と当該溶融部よりも中心電極３０寄りの溶融部と
の重なり部の断面積よりも大きくなっていることが好ま
しい。

【００５５】図２及び図３に示す例では、この好ましい
形態が採用されている。即ち、図２に示す２列構成で
は、２列目の溶融部６２の断面積が、当該２列目の溶融
部６２と１列目の溶融部６１との重なり部の断面積より
も大きくなっている。更に、図３に示す３列構成では、
３列目の溶融部６３の断面積が、当該３列目の溶融部６
３と２列目の溶融部６２との重なり部の断面積よりも大
きくなっている。

【００５６】各列の溶融部６１〜６３は、チップ５０の
外表面から内部に向かって溶け込んでいる。上記好まし
い形態によれば、例えば、図２に示す様に、溶融部の溶
け込み方向において、２列目の溶融部６２の先端が、２
列目の溶融部６２と１列目の溶融部６１との重なり部の
端部よりも、チップ５０の内部に向かって突出してい
る。

【００５７】そのため、２列目の溶融部６２と１列目の
溶融部６１との間に、チップ５０がが入り込んだくさび
形状となる。そして、チップ５０が中心電極３０から離
れようとする方向（図２中の上方）へ力が加わっても、
このチップ５０のくさび部分が２列目の溶融部６２に引
っ掛かるため、チップ５０を脱落しにくくすることがで
きる（くさび効果）。

【００５８】また、図３に示す３列構成では、２列目の
溶融部６２と１列目の溶融部６１との間だけでなく、更
に、３列目の溶融部６３と２列目の溶融部６２との間に
も、チップ５０が入り込んだくさび形状が形成されてい
る。そのため、２列構成の場合と同様の効果が得られ
る。

【００５９】なお、溶融部６０が３列以上の場合、２列
目以降の全ての列の溶融部において、上記好ましい形態
となっていても良いが、それ以外にも、少なくとも１つ
の列の溶融部において、上記好ましい形態となっていれ
ば、効果はある。

【００６０】（第２実施形態）本第２実施形態は、上記
図１に示すスパークプラグ１００において、中心電極３
０とチップ５０との接合部を上記第１実施形態とは異な
らせたものであり、他の部分は同一である。従って、当
該接合部の断面形状を図１１に示し、この図１１に基づ
いて主として第１実施形態との相違点について述べるこ
ととする。

【００６１】本実施形態では、チップ５０と中心電極
（母材）３０の一端面（接合面）３１との間に、線膨張
係数がチップ５０と中心電極３０との間の範囲にある緩
和層８０を介在させ、チップ５０と中心電極３０とを、
レーザ溶接によって緩和層８０、チップ５０及び中心電
極母材の間に形成された溶融部９０を介して固定したこ
とを主たる特徴としている。なお、図１１中、（ａ）は
部分溶融構成、（ｂ）は全域溶融構成である。

【００６２】具体的には、中心電極３０としてＮｉ基合
金を使用し、チップ５０としてＩｒもしくはＩｒ合金を
用いた場合、緩和層８０としては、線膨張係数がＮｉ基
合金とＩｒ合金の中間であるＰｔ合金等を使用すること
ができる。このようなＰｔ合金としては例えば、Ｐｔ−
２０Ｉｒ−２Ｎｉ（Ｐｔが７８重量％、Ｉｒが２０重量
％、Ｎｉが２重量％の合金）を採用することができる。

【００６３】図１１に示す接合部構成は、図１２に示す
様な製造方法により、適切に製造することができる。図
１２は、図１１の断面に対応した断面にて製造方法を示
すものである。

【００６４】まず、チップ５０と中心電極３０の一端面
３１との間に、上記緩和層８０を介在させこれら３つの
部材３０、５０、８０を仮固定する。この仮固定は、抵
抗溶接により仮止めしたり、治具を用いて仮止めする等
により行うことができる。しかる後、緩和層８０を中心
にレーザを照射することによって緩和層８０とチップ５
０の界面及び緩和層８０と中心電極３０の界面を無くす
ように、３部材３０、５０、８０が溶け合った溶融部９
０を形成する。こうして、図１１に示す接合部構成とな
る。

【００６５】ところで、本実施形態によれば、チップ５
０と中心電極３０の一端面３１との間に、線膨張係数が
チップ５０と中心電極３０との間の範囲にある緩和層８
０を介在させることにより、チップ５０と中心電極３０
との線膨張係数差に起因する熱応力が、緩和層８０によ
って緩和される。そのため、従来よりもチップ５０と中
心電極３０との接合信頼性を向上させることができる。

【００６６】ここで、緩和層８０の厚さｔが０．２ｍｍ
以上０．６ｍｍ以下の範囲にあり、中心電極３０の一端
面（接合面）３１に沿った断面を見たとき、溶融部９０
の最大溶け込み深さｄ４の部分（図１１中のＥ−Ｅ断
面）における断面積をチップ５０の断面積（チップの径
方向の断面積）で割った比αが、（１．４−ｔ）／２以
上の範囲にあることが好ましい。それにより、チップと
母材との接合信頼性を実用レベルにて確保することがで
きる。

【００６７】この断面積比αの関係は、本発明者が行っ
た実験検討の結果に基づくものである。限定するもので
はないが、この検討の一例を述べる。中心電極３０とし
て、インコネル（登録商標）よりなり一端面３１の径Ｄ
１がφ２．７ｍｍのものを使用し、チップ５０としてＩ
ｒ−１０Ｒｈよりなり、径Ｄ２がφ２．４ｍｍ、厚さが
１．４ｍｍの円板チップを用い、緩和層８０としてＰｔ
−２０Ｉｒ−２Ｎｉよりなる径Ｄ３（図１２参照）がφ
２．４ｍｍの円板を用いた。

【００６８】ここで、緩和層８０の厚さｔを０．２ｍｍ
以上０．６ｍｍ以下の範囲としたのは、０．２ｍｍより
薄いと緩和層８０の強度不足により熱応力によって緩和
層８０に割れが生じやすくなること、また、０．６ｍｍ
より厚くしても熱応力緩和効果は変わらないためであ
る。

【００６９】そして、レーザ溶接条件を変えることによ
り、図１３に示す様に、溶融部９０の溶け込み深さｄ４
を種々変え、溶融部９０の溶け込み深さｄ４の部分にお
ける断面積（溶融部断面積）とチップ５０との断面積比
α（溶融部断面積／チップ断面積）を種々変えたサンプ
ルを作製した。

【００７０】この図１３に示す各仕様〜について、
上記第１実施形態と同様に耐久試験を行い、チップ５０
と中心電極３０との接合信頼性の評価を行った。図１４
は、評価の結果得られた本実施形態の接合部構成におけ
る断面積比α（溶融部断面積／チップ断面積）と引っ張
り強度（単位：Ｎ）との関係を緩和層８０の厚さを変え
て示す図である。

【００７１】図１４中の各種プロットにおいて、黒四角
プロットは緩和層８０の厚さｔが０．２ｍｍのときの新
品時、白四角プロットは緩和層８０の厚さｔが０．２ｍ
ｍのときの耐久試験後、黒三角プロットは緩和層８０の
厚さｔが０．４ｍｍのときの新品時、白三角プロットは
緩和層８０の厚さｔが０．４ｍｍのときの耐久試験後、
黒丸プロットは緩和層８０の厚さｔが０．６ｍｍのとき
の新品時、白丸プロットは緩和層８０の厚さｔが０．６
ｍｍのときの耐久試験後、をそれぞれ示す。

【００７２】図１４からわかるように、断面積比αが大
きいほど（溶融部断面積が大きいほど）耐久試験後の引
っ張り強度が大きい。これは、レーザ溶接による線膨張
係数差の縮小やエッジ部が無くなることによる熱応力低
減効果のためである。また、緩和層８０が厚いほど、耐
久試験後の引っ張り強度は向上し、接合信頼性が高くな
っていることがわかる。これは、０．６ｍｍの厚さまで
は緩和層８０が厚いほど熱応力低減効果が大きいためで
ある。

【００７３】そして、図１４から、耐久試験後において
引っ張り強度２００Ｎに相当する様な上記断面積比αと
緩和層８０の厚さｔとの関係が得られる。例えば、厚さ
ｔが０．２ｍｍのとき断面積比αは０．６、厚さｔが
０．４ｍｍのとき断面積比αは０．５、厚さｔが０．６
ｍｍのとき断面積比αは０．４である。

【００７４】この断面積比αと緩和層８０の厚さｔとの
関係をグラフ化したものが図１５である。図１５から、
耐久試験後において引っ張り強度２００Ｎ以上の実用レ
ベルの接合信頼性を確保するためには、次の数式１に示
す関係を満足することが必要であることがわかる。

【００７５】

【数１】α≧（１．４−ｔ）／２ ０．２≦ｔ≦０．６（ｔの単位：ｍｍ） 以上のような実験検討に基づけば、厚さｔが０．２ｍｍ
以上０．６ｍｍ以下の範囲にある緩和層８０を介してレ
ーザ溶接されたチップ５０と中心電極３０において、上
記断面積比αが（１．４−ｔ）／２以上であることが好
ましく、それにより、チップ５０と中心電極３０との接
合信頼性を実用レベルにて確保することができる。

【００７６】（他の実施形態）以下に、本発明の種々の
変形例を示す。図１６（ａ）〜（ｆ）は第１の変形例で
あり、第１実施形態に示した複数列の溶融部６１〜６３
のうち全ての列もしくは一部の列の溶融部を、チップ５
０と中心電極３０との界面が全域で溶け合った全域溶融
構成としたものである。この第１の変形例においても上
記第１実施形態と同様の効果が得られる。

【００７７】図１６において、（ａ）〜（ｃ）は２列構
成のものであって、（ａ）は１列目の溶融部６１、
（ｂ）は全ての列の溶融部６１、６２、（ｃ）は２列目
の溶融部６２について、それぞれ全域溶融構成としたも
のである。また、（ｄ）〜（ｆ）は３列構成のものであ
って、（ｄ）は全ての列の溶融部６１〜６３、（ｅ）は
１列目の溶融部６１、（ｆ）は１列目と２列目の溶融部
６１、６２について、それぞれ全域溶融構成としたもの
である。

【００７８】図１７（ａ）〜（ｃ）は第２の変形例であ
り、第２実施形態に示した接合部構成において、溶融部
９０を複数列構成としたものである。この場合も、上記
第２実施形態と同様に、緩和層８０による熱応力緩和効
果を発揮することができる。また、複数列の溶融部９０
の形状によっては、上記第１実施形態と同様の効果を得
ることも可能である。

【００７９】また、上記各実施形態は、中心電極３０側
にチップ５０をレーザ溶接した例として述べたが、接地
電極４０側にチップ５０をレーザ溶接する場合、また
は、中心電極３０と接地電極４０の両方にチップ５０を
レーザ溶接する場合にも、上記各実施形態は適用可能で
あることは勿論である。図１８は、接地電極４０を母材
としてチップ５０を設ける場合を示す第３の変形例であ
る。

【００８０】図１８（ａ）及び（ｂ）の場合は、上記第
１実施形態を接地電極４０に適用したものである。な
お、図１８中、（ｂ）は（ａ）のＦ矢視図であるが、
（ｂ）中の溶融部６０に施してあるハッチングは識別の
ためのもので断面を示すものではない。

【００８１】この場合、接地電極４０の一端４１側の端
面（本発明でいう接合面）４３に角柱状のチップ５０が
レーザ溶接により固定されている。ここで、図示しない
が、この第３の変形例においては、チップ５０の側面５
１が、中心電極３０もしくは中心電極３０に固定された
チップ５０に対向して放電ギャップ７０を形成する。

【００８２】そして、溶融部６０は、接地電極（母材）
４０に最も近い列を１列目として接地電極４０から離れ
る方向へ向かって、隣接する列の間で重なるように２列
形成されている。更に、接地電極４０における上記端面
（接合面）４３に沿った断面を見たとき、１列目の溶融
部６１の断面積と１列目と２列目の溶融部６１、６２）
同士の重なり部の断面積との合計が、チップ５０の断面
積（図１８（ａ）におけるチップの長軸と直交する方向
に沿った断面積）の１．４倍以上になっている。

【００８３】図１８（ｃ）及び（ｄ）の場合は、上記第
２実施形態を接地電極４０に適用したものである。
（ｄ）は（ｃ）のＧ矢視図であるが、（ｄ）中の溶融部
９０に施してあるハッチングは識別のためのもので断面
を示すものではないチップ５０と接地電極４０の上記端
面（接合面）４３との間には、線膨張係数がチップ５０
と接地電極４０との間の範囲にある緩和層８０が介在さ
れている。そして、チップ５０と接地電極４０とは、レ
ーザ溶接によって緩和層８０、チップ５０及び接地電極
４０の間の各界面に形成された溶融部９０を介して固定
されている。この場合、接地電極４０は中心電極３０同
様にＮｉ基合金よりなるので、緩和層８０も上記第２実
施形態と同様の材質を採用できる。

【００８４】これら図１８に示す第３の変形例において
も、上記第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られ
るとともに、各実施形態に述べた好ましい形態（くさび
効果、断面積αの関係）を採用可能なことは勿論であ
る。

【００８５】また、本発明において、中心電極や接地電
極、チップの形状は適宜設計変更可能である。要する
に、本発明は、中心電極及び接地電極の少なくとも一方
を母材とし、この母材の一面を接合面として、この接合
面に火花放電を行うための貴金属もしくはその合金より
なるチップがレーザ溶接により形成された溶融部を介し
て固定されてなるスパークプラグにおいて、溶融部の構
成を工夫したり、緩和層を介在させた点が、主たる特徴
点であり、他の部分は適宜設計変更可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係るスパークプラグの
全体構成を示す半断面図である。

【図２】上記第１実施形態において溶融部を２列構成と
した場合を示す概略断面図である。

【図３】上記第１実施形態において溶融部を３列構成と
した場合を示す概略断面図である。

【図４】比較例として溶融部を単列構成とした場合を示
す概略断面図である。

【図５】上記２列構成において種々の断面積比（溶融部
合計断面積／チップ断面積）を示す図表である。

【図６】上記単列構成において種々の断面積比（溶融部
断面積／チップ断面積）を示す図表である。

【図７】上記２列構成における断面積比（溶融部合計断
面積／チップ断面積）と引っ張り強度との関係を示す図
である。

【図８】上記単列構成における断面積比（溶融部断面積
／チップ断面積）と引っ張り強度との関係を示す図であ
る。

【図９】上記３列構成において種々の断面積比（溶融部
合計断面積／チップ断面積）を示す図表である。

【図１０】上記３列構成における断面積比（溶融部合計
断面積／チップ断面積）と引っ張り強度との関係を示す
図である。

【図１１】本発明の第２実施形態に係るスパークプラグ
におけるチップと中心電極との接合部構成を示す概略断
面図である。

【図１２】上記第２実施形態に係るスパークプラグの製
造方法を示す説明図である。

【図１３】図１１に示す接合部構成において種々の断面
積比α（溶融部断面積／チップ断面積）を示す図表であ
る。

【図１４】図１１に示す接合部構成における断面積比α
（溶融部断面積／チップ断面積）と引っ張り強度との関
係を緩和層の厚さを変えて示す図である。

【図１５】引っ張り強度２００Ｎ以上を満足するための
断面積比αと緩和層の厚さｔとの関係を示すグラフであ
る。

【図１６】本発明の第１の変形例を示す概略断面図であ
る。

【図１７】本発明の第２の変形例を示す概略断面図であ
る。

【図１８】本発明の第３の変形例を示す図である。

【符号の説明】

３０…中心電極、３１…中心電極の一端面、４０…接地
電極、４３…接地電極の一端側の端面、５０…チップ、
６０、９０…溶融部、６１…１列目の溶融部、６２…２
列目の溶融部、６３…３列目の溶融部、８０…緩和層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｔ 13/39 Ｈ０１Ｔ 13/39 21/02 21/02

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中心電極（３０）及び接地電極（４０）
   の少なくとも一方を母材とし、この母材の一面を接合面
   （３１、４３）として、この接合面に火花放電を行うた
   めの貴金属もしくはその合金よりなるチップ（５０）が
   レーザ溶接により形成された溶融部（６０）を介して固
   定されてなるスパークプラグにおいて、 前記溶融部は、前記母材に最も近い列を１列目として前
   記母材から離れる方向へ向かって、隣接する列の間で重
   なるように複数列形成されており、 前記接合面に沿った断面を見たとき、前記１列目の溶融
   部（６１）の断面積と各列の前記溶融部（６１〜６３）
   同士の重なり部の断面積との合計が、前記チップの断面
   積の１．４倍以上になっていることを特徴とするスパー
   クプラグ。
2. 【請求項２】 前記接合面（３１、４３）に沿った断面
   を見たとき、２列目以降の前記溶融部のうち少なくとも
   １つの溶融部（６２、６３）において、当該溶融部の断
   面積が、当該溶融部と当該溶融部よりも前記母材寄りの
   溶融部（６１、６２）との重なり部の断面積よりも大き
   くなってい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. 【請求項３】 中心電極（３０）及び接地電極（４０）
   の少なくとも一方を母材とし、この母材の一面を接合面
   （３１、４３）として、この接合面に火花放電を行うた
   めの貴金属もしくはその合金よりなるチップ（５０）が
   レーザ溶接により形成された溶融部（６０）を介して固
   定されてなるスパークプラグにおいて、 前記チップと前記接合面との間には、線膨張係数が前記
   チップと前記母材との間の範囲にある緩和層（８０）が
   介在されており、 前記チップと前記母材とが、レーザ溶接によって前記緩
   和層、前記チップ及び前記母材の間の各界面に形成され
   た溶融部（９０）を介して固定されていることを特徴と
   するスパークプラグ。
4. 【請求項４】 前記緩和層（８０）の厚さｔが０．２ｍ
   ｍ以上０．６ｍｍ以下の範囲にあり、 前記接合面（３１、４３）に沿った断面を見たとき、前
   記溶融部（９０）の断面積を前記チップ（５０）の断面
   積で割った比αが、（１．４−ｔ）／２以上の範囲にあ
   ることを特徴とする請求項３に記載のスパークプラグ。
5. 【請求項５】 前記チップ（５０）は、Ｉｒが５０重量
   ％以上含有されているものであることを特徴とする請求
   項１ないし４のいずれか１つに記載のスパークプラグ。
6. 【請求項６】 中心電極（３０）及び接地電極（４０）
   の少なくとも一方を母材とし、この母材の一面を接合面
   （３１、４３）として、この接合面に火花放電を行うた
   めの貴金属もしくはその合金よりなるチップ（５０）が
   レーザ溶接により固定されてなるスパークプラグを製造
   する方法であって、 前記チップと前記接合面との間に、線膨張係数が前記チ
   ップと前記母材との間の範囲にある緩和層（８０）を介
   在させた後、 レーザ溶接を行うことによって前記緩和層、前記チップ
   及び前記母材の間の界面に溶融部（９０）を形成するこ
   とを特徴とするスパークプラグの製造方法。