JP2002237370A

JP2002237370A - スパークプラグ

Info

Publication number: JP2002237370A
Application number: JP2002026105A
Authority: JP
Inventors: Wataru Matsutani; 渉松谷
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1999-04-30
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2002-08-23

Abstract

(57)【要約】【課題】貴金属チップと電極との均一な溶接部を有す
るスパークプラグを提供する。【解決手段】Ｎｉ又はＦｅを主成分とする耐熱合金に
て構成される中心電極３のチップ被固着面に対し貴金属
チップ３１’を重ね合わせて重ね合せ組立体７０を作
る。その重ね合せ組立体７０に対し、貴金属チップ３
１’とチップ被固着面形成部位とにまたがる全周レーザ
ー溶接部１０をチップ外周面に沿って形成することによ
り、貴金属チップ３１’をチップ被固着面に固着して貴
金属発火部３１となす。そして、外周最大寸法ｄmaxが
２．０ｍｍ未満であり、かつ貴金属チップ３１’の厚さ
方向において放電面に到達しない全周レーザー溶接部１
０を形成するために、レーザー溶接の光源として１パル
ス当りのエネルギーが２〜６Ｊ、パルス長が１〜１０ミ
リ秒、パルス発生周波数が２〜２０パルス／秒のパルス
状レーザー光源５０を使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はスパークプラグに関
する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の点火用に使用されるスパーク
プラグにおいては、近年、耐火花消耗性向上のために、
電極の先端にＰｔやＩｒ等を主体とする貴金属チップを
溶接して貴金属発火部を形成したタイプのものが使用さ
れている。例えば中心電極の先端面に貴金属チップを接
合する場合、その製造方法として、円板状の貴金属チッ
プを中心電極先端に重ね合わせ、中心電極を回転させな
がら重ね合せ面の外周に沿ってレーザー光を照射するこ
とにより、全周レーザー溶接部を形成する方法が提案さ
れている（例えば、特開平６−４５０５０号、特開平１
０−１１２３７４号の各公報）。

【０００３】ところで、近年では、内燃機関の高性能化
により燃焼室内の温度も高くなる傾向にあり、また着火
性向上のために、スパークプラグの発火部を２．０ｍｍ
以下に細径化し、さらにこれを燃焼室内部に突き出させ
るタイプのエンジンも多く使用されるようになってきて
いる。このような苛酷な実機使用環境において貴金属チ
ップの剥離耐久性等を向上するために、ＩｒやＰｔを主
成分とする貴金属チップを、Ｎｉ基あるいはＦｅ基の耐
熱合金で構成された電極に溶接接合して、貴金属発火部
を形成することが行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなスパーク
プラグにおける貴金属チップの溶接は、ＹＡＧレーザー
等によるパルス状レーザー光を用いて行われることが多
いが、そのレーザー溶接条件におけるパルス発生周波数
は従来０．５パルス／秒以下と低い値に設定されてい
た。しかしながら、この方式によると、例えば直径０．
７ｍｍ程度の貴金属チップを溶接するのに延べ１５秒近
くかかり、レーザー溶接装置１台当りの生産性が極めて
悪い問題があった。

【０００５】上記のような生産性低下の問題を解決する
には、レーザー光のパルス発生周波数を増やすことが有
効であるが、本発明者が検討したところ、次のような問
題が生ずることがわかった。すなわち、レーザー光のパ
ルス発生周波数を単純に増加させる形で生産性向上を図
ろうとすると、電極材料として使用されるＮｉ基あるい
はＦｅ基の耐熱合金は熱伝導率が低いため溶接時の熱引
きが悪く、特に先端細径の電極の場合は、電極による熱
引きがレーザー光１パルス毎の入熱に追い付かなくなる
場合がある。その結果、図１３に示すように、周方向の
溶接部１０の後半側ほど温度上昇が激しくなり、後半側
の溶接部１０ｓが前半側の溶接部１０ｐよりも溶接部深
さが大きくなったり、あるいは溶接部幅ｌが広くなった
りするなど、溶接部の不均一化を招きやすい問題があ
る。また、溶接部１０は貴金属チップ材料と電極材料と
の合金により形成されることから、貴金属チップ単体と
比較すると耐火花消耗性に劣る。従って、その溶接部１
０の深さや幅が極端に大きくなると、貴金属チップの溶
接により形成された発火部３１の耐久性が著しく低下す
ることにつながる。また、溶接部１０の幅ｌが広くなっ
た領域では、極端な場合は溶接部１０が放電面３１ａに
露出してしまうこともある。また、たとえ露出していな
くとも、発火部３１が少し消耗しただけで溶接部１０の
露出が同様に発生する。一般に貴金属発火部を形成した
スパークプラグは、発火部の長寿命化（例えば１０〜１
６万ｋｍ走行に相当するもの）を目的とするものである
が、上記のような問題が発生すると露出した溶接部にて
消耗が進行し、比較的短時間で火花放電ギャップが拡大
して着火ミス等の不具合を生ずることがある。

【０００６】本発明の課題は、従来の方法では実現不能
な発火部耐久性を具備したスパークプラグを提供するこ
とにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】そこで、
中心電極と、その中心電極の先端面に自身の側面が対向
するように配置された接地電極とを備え、火花放電ギャ
ップに対応する位置においてそれら中心電極と接地電極
との少なくとも中心電極側に、貴金属チップを溶接する
ことにより放電面を有する貴金属発火部を形成したスパ
ークプラグの製造方法に関し、中心電極又は中心電極と
接地電極との、少なくともチップ被固着面形成部位をＮ
ｉ又はＦｅを主成分とする耐熱合金にて構成し、そのチ
ップ被固着面に対し貴金属チップを重ね合わせて重ね合
せ組立体を作り、その重ね合せ組立体に対し、貴金属チ
ップとチップ被固着面形成部位とにまたがる全周レーザ
ー溶接部をチップ外周面に沿って形成することにより、
該貴金属チップをチップ被固着面に固着するとともに、
貴金属チップの放電面側において平面視したときの外周
最大寸法ｄmaxが２．０ｍｍ未満であり、かつ貴金属チ
ップの厚さ方向において放電面に到達しない全周レーザ
ー溶接部を形成するために、レーザー溶接の光源として
１パルス当りのエネルギーが１．５〜６Ｊ、パルス長が
１〜１０ミリ秒、パルス発生周波数が２〜２０パルス／
秒のパルス状レーザー光源を使用することが提案され
る。

【０００８】電極のチップ被固着面形成部位をＦｅある
いはＮｉを主成分とする耐熱合金で構成しつつ、外周最
大寸法ｄmaxが２．０ｍｍ未満の小径の全周レーザー溶
接部を形成する場合において、本発明者らが鋭意検討し
た結果、均一性の高い溶接部を能率よく形成するために
は、パルス発生周波数を特有の範囲に設定することが重
要であり、かつ、従来あまり着目されていなかったレー
ザー光の１パルス当りのエネルギーとパルス長に関する
条件を特定の値に設定することが重要であることが判明
した。そして、その条件設定を前提として、ある特有の
パルス周波数範囲に限り、従来の方法よりも高い周波数
を採用しても、前記した溶接部の不均一化等の問題を防
止しうることを見い出し、本発明を完成するに至ったの
である。すなわち、レーザー溶接の光源として、１パル
ス当りのエネルギーが１．５〜６Ｊ、パルス長が１〜１
０ミリ秒のレーザー光を使用し、かつ従来の方法と比較
してはるかに大きいパルス発生周波数である２〜２０パ
ルス／秒を採用することで、均一性の高い全周溶接部を
極めて能率よく形成することができるようになる。

【０００９】なお、本明細書において全周レーザー溶接
部の外周最大寸法ｄmaxは、図２（ｂ）に示すように、
中心電極（３）の中心軸線と直交する平面上に投影した
ときの、放電面（３１ａ）の幾何学的重心位置をＧと
し、そのＧから全周レーザー溶接部外縁最遠点までの距
離をｒmaxとして、ｄmax＝２ｒmaxにて定義する。

【００１０】パルス長が１ミリ秒未満となるか、又は１
パルス当りのエネルギーが１．５Ｊ未満となった場合
は、１パルス当りの入熱量が小さく、溶融部の形成が不
十分となる。さらに、１パルス当りのエネルギーが１．
５Ｊ未満となり、かつパルス長も１ミリ秒未満になった
場合は、１パルス当りの入熱量が小さくなり過ぎ、例え
ばＮｉ基あるいはＦｅ基耐熱合金で電極が構成されてい
る場合、電極の熱引きの影響により該電極がほとんど溶
融せず、溶接部を形成することが困難となる。

【００１１】一方、１パルス当りのエネルギーが６Ｊを
超えるか、又はパルス長が１０ミリ秒を超える場合に
は、Ｎｉ基あるいはＦｅ基の耐熱合金で形成された電極
の熱引きが小さいために、レーザー光による入熱が蓄積
しやすくなり、溶接部深さや溶接部幅の不均一を招いた
り、電極が溶融して変形したりするおそれがある。さら
に、１パルス当りのエネルギーが６Ｊを超え、かつパル
ス長が１０ミリ秒を超えた場合は、溶融される金属が蒸
発や飛散を起こしやすくなるため、電極にくぼみや穴等
の欠陥が発生しやすくなるおそれがある。

【００１２】また、パルス発生周波数が２パルス／秒未
満になると、溶接部形成の能率向上が望めなくなり、２
０パルス／秒を超えるとレーザー光による入熱が蓄積し
やすくなり、上記と同様の問題を招く。なお、１パルス
当りのエネルギーは、より望ましくは２〜５Ｊとするの
がよく、パルス長はより望ましくは１．５〜６ミリ秒と
するのがよく、さらにパルス発生周波数はより望ましく
は２〜１２パルス／秒とするのがよい。なお、本明細書
における１パルス当りのエネルギーは、例えばレーザー
溶接を行う前に予め、レーザー光源から発射されたレー
ザー光をカロリメータあるいはパワーメータ等のエネル
ギー検出基で受けることにより、単位時間（例えば１秒
間）当りのエネルギーを計測し、そのエネルギーを１秒
間当りのパルス数で除することにより算出した値を用い
る。

【００１３】上記の方法を採用することにより、Ｆｅ基
あるいはＮｉ基の耐熱合金を使用しつつ、外周最大寸法
ｄmaxが２．０ｍｍ未満の小径の全周レーザー溶接部を
形成する場合において、従来の方法では困難であった、
以下のような均一なレーザー溶接部、具体的には、貴金
属チップのチップ被固着面への重ね合せ方向における、
全周レーザー溶接部の最小幅ｌminと最大幅ｌmaxとの比
ｌmin／ｌmaxが０．７以上となるようなレーザー溶接部
の形成が可能となる。

【００１４】つまり、本発明のスパークプラグは、中心
電極と、その中心電極の先端面に自身の側面が対向する
ように配置された接地電極とを備え、火花放電ギャップ
に対応する位置においてそれら中心電極と接地電極との
少なくとも中心電極側に、貴金属チップを溶接すること
により貴金属発火部が形成されており、中心電極又は中
心電極と接地電極との、少なくともチップ被固着面形成
部位がＮｉ又はＦｅを主成分とする耐熱合金にて構成さ
れ、そのチップ被固着面に重ね合わされた貴金属チップ
と該チップ被固着面形成部位とにまたがる形で全周レー
ザー溶接部がチップ外周面に沿って形成されており、か
つ、その全周レーザー溶接部は、貴金属チップの放電面
側において平面視したときのその外周最大寸法ｄmaxが
２．０ｍｍ未満であって、貴金属チップの厚さ方向にお
いて放電面に到達せず、かつ貴金属チップのチップ被固
着面への重ね合せ方向における最小幅ｌminと最大幅ｌm
axとの比ｌmin／ｌmaxが０．７以上であることを特徴と
する。

【００１５】ｌmin／ｌmaxを０．７以上とできること
は、貴金属発火部の放電面から全周レーザー溶接部の、
放電面に対して近い側の縁までの距離の、周方向のばら
つきを相応の値に小さく抑制できることを意味する。そ
の結果、例えばレーザー溶接部が広幅となった位置にお
いて、貴金属発火部が少し消耗しただけで溶接部の放電
面への露出が発生し、スパークプラグの耐久性が低下す
るといった不具合も、効果的に防止される。なお、上述
の製造方法によれば、溶接条件を適切に設定すること
で、ｌmin／ｌmaxのさらに望ましい値として、０．９以
上を実現することも可能となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明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スパー
クプラグ１００は、筒状の主体金具１、先端部２１が突
出するようにその主体金具１の内側に嵌め込まれた絶縁
体２、先端に形成された貴金属発火部（以下、単に発火
部ともいう）３１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に一端が溶接等
により結合されるとともに他端側が側方に曲げ返され
て、その側面が中心電極３の先端部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。また、接地電極４
には上記発火部３１に対向する貴金属発火部（以下、単
に発火部ともいう）３２が形成されており、それら発火
部３１と、対向する発火部３２との間の隙間が火花放電
ギャップｇとされている。

【００１７】なお本明細書でいう「発火部」とは、接合
された貴金属チップのうち、溶接による組成変動の影響
を受けていない部分（例えば、溶接により接地電極ない
し中心電極の材料と合金化した部分を除く残余の部分）
を指すものとする。

【００１８】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
ための孔部６を有している。また、主体金具１は、低炭
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。

【００１９】なお、発火部３１及び対向する発火部３２
のいずれか一方を省略する構成としてもよい。この場合
には、発火部３１と、発火部を有さない接地電極４の側
面との間、又は対向する発火部３２と、発火部を有さな
い中心電極３の先端面との間で火花放電ギャップｇが形
成されることとなる。

【００２０】中心電極３及び接地電極４のチップ被固着
面形成部位、この実施例では少なくともその表層部がＮ
ｉ又はＦｅを主成分とする耐熱合金にて構成されている
（なお、本明細書において「主成分」とは、最も重量含
有率の高い成分を意味し、必ずしも「５０重量％以上を
占める成分」を意味するものではない）。Ｎｉ又はＦｅ
を主成分とする耐熱合金としては、次のようものが使用
可能である。Ｎｉ基耐熱合金：本明細書では、Ｎｉを４０〜８５重
量％含有し、残部の主体が、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎ
ｂ、Ａｌ、Ｔｉ及びＦｅの１種又は２種以上からなる耐
熱合金を総称する。具体的には、次のようなものが使用
できる（いずれも商品名；なお、合金組成については、
文献（改訂３版金属データブック（丸善）；ｐ１３８）
に記載されているので、詳細な説明は行わない）： ASTROLOY、CABOT 214、D-979、HASTELLOY C22、HASTELL
OY C276、HASTELLOYG30、HASTELLOY S、HASTELLOY X、H
AYNES 230、INCONEL 587、INCONEL597、INCONEL 600、I
NCONEL 601、INCONEL 617、INCONEL 625、INCONEL706、
INCONEL 718、INCONEL X750、KSN、M-252、NIMONIC 7
5、NIMONIC80A、NIMONIC 90、NIMONIC 105、NIMONIC 11
5、NIMONIC 263、NIMONIC942、NIMONIC PE11、NIMONIC
PE16、NIMONIC PK33、PYROMET 860、RENE41、RENE 95、
SSS 113MA、UDIMET 400、UDIMET 500、UDIMET 520、UDI
MET630、UDIMET 700、UDIMET 710、UDIMET 720、UNITEP
AF2-1 DA6、WASPALOY。

【００２１】Ｆｅ基耐熱合金：本明細書では、Ｆｅを
２０〜６０重量％含有し、残部の主体が、Ｃｒ、Ｃｏ、
Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｔｉ及びＮｉの１種又は２種以
上からなる耐熱合金を総称する。具体的には、次のよう
なものが使用できる（いずれも商品名；なお、合金組成
については、文献（改訂３版金属データブック（丸
善）、ｐ１３８）に記載されているので、詳細な説明は
行わない）；A-286、ALLOY 901、DISCALOY、HAYNES 55
6、INCOLOY 800、INCOLOY 801、INCOLOY802、INCOLOY 8
07、INCOLOY 825、INCOLOY 903、INCOLOY 907、INCOLOY
909、N-155、PYROMET CTX-1、PYROMET CTX-3、S-590、V
-57、PYROMETCTX-1、16-25-6、17-14CuMo、19-9DL、20-
Cb3。

【００２２】一方、上記発火部３１及び対向する発火部
３２は、Ｉｒ又はＰｔのいずれかを主成分とする貴金属
を主体に構成されている。これらの貴金属の使用によ
り、中心電極の温度が上昇しやすい環境下においても、
発火部の耐消耗性を良好なものとすることができる。ま
た、上記のような耐熱合金に対する溶接性も良好であ
る。例えばＰｔをベースにした貴金属を使用する場合に
は、Ｐｔ単体の他、Ｐｔ−Ｎｉ合金（例えばＰｔ−１〜
３０重量％Ｎｉ合金）、Ｐｔ−Ｉｒ合金、Ｐｔ−Ｉｒ−
Ｎｉ合金等をを好適に使用できる。また、Ｉｒを主成分
とするものとしては、Ｉｒ−Ｐｔ合金、Ｉｒ−Ｒｈ合金
等を使用できる。

【００２３】なお、Ｉｒ系の貴金属材料を使用する場合
には、元素周期律表の３Ａ族（いわゆる希土類元素）及
び４Ａ族（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）に属する金属元素の酸化
物（複合酸化物を含む）を０．１〜１５重量％の範囲内
で含有させることができる。これにより、Ｉｒ成分の酸
化・揮発を効果的に抑制でき、ひいては発火部の耐火花
消耗性を向上させることができる。上記酸化物としては
Ｙ_２Ｏ_３が好適に使用されるが、このほかにもＬａ_２Ｏ
_３、ＴｈＯ_２、ＺｒＯ_２等を好ましく使用することがで
きる。この場合、金属成分はＩｒ合金のほか、Ｉｒ単体
を使用してもよい。

【００２４】中心電極３は先端側が円錐台状のテーパ面
３ｔにより縮径されるとともに、その先端面３ｓに上記
発火部３１を構成する合金組成からなる円板状の貴金属
チップ３１’（図５）を重ね合わせ、さらにその接合面
外縁部に沿ってレーザー溶接により全周レーザー溶接部
（以下、単に溶接部ともいう）１０を形成してこれを固
着することにより発火部３１が形成される。また、対向
する発火部３２は、発火部３１に対応する位置において
接地電極４に貴金属チップ３２’（図１２）を位置合わ
せし、その接合面外縁部に沿って同様に溶接部２０を形
成してこれを固着することにより形成される。これらチ
ップは、所定の組成となるように各合金成分を配合・溶
解することにより得られる溶解合金を熱間圧延により板
状に加工し、その板材を熱間打抜き加工により所定のチ
ップ形状に打ち抜いて形成したものや、合金を熱間圧延
又は熱間鍛造により線状あるいはロッド状の素材に加工
した後、これを長さ方向に所定長に切断して形成したも
のを使用できる。また、アトマイズ法等により球状に成
形したものも使用できる。上記チップ３１’，３２’
は、例えば直径ｄcが０．４〜１．２ｍｍ、厚さｔcが
０．５〜１．５ｍｍのものを使用する。

【００２５】上記の発火部３１，３２を形成するための
溶接方法は概ね同じであるので、以下、中心電極３側の
発火部３１を中心に、以下に詳しく説明する。図５
（ａ）に示すように、中心電極３の先端面３ｓをチップ
被固着面として、ここに貴金属チップ３１’を重ね合わ
せて重ね合せ組立体７０を作り、その重ね合せ組立体７
０に対し、貴金属チップ３１’とチップ被固着面とにま
たがる全周レーザー溶接部１０をチップ外周面に沿って
形成する。このとき、レーザー溶接の光源として、１パ
ルス当りのエネルギーが１．５〜６Ｊ、パルス長が１〜
１０ミリ秒、パルス発生周波数が２〜２０パルス／秒の
パルス状レーザー光源（例えばＹＡＧレーザー光源）５
０を使用する。前述の大きさのチップ３１’を使用して
上記の条件にて形成される全周レーザー溶接部１０は、
図２に示すように、貴金属チップ３１’とチップ被固着
面との重ね合わせ方向において平面視したときの外周最
大寸法ｄmaxが２．０ｍｍ未満であり、かつ貴金属チッ
プ３１’の厚さ方向において放電面３１ａに到達しない
ものとされる。なお、外周最大寸法ｄmaxは０．４ｍｍ
以上であることが望ましい。ｄmaxが０．４ｍｍ未満に
なると、レーザー光を相当に絞っても均一な溶接部を形
成することが困難になり、正常な発火部形成に支障を来
たす場合がある。

【００２６】電極素材として使用される前述の各種耐熱
合金は、８００℃における熱伝導率が概ね３０Ｗ／ｍ・
Ｋ以下と小さく、レーザー溶接時に畜熱しやすい性質が
ある。しかしながら、１パルス当りのエネルギーが１．
５〜６Ｊ、パルス長が１〜１０ミリ秒のレーザー光を使
用することにより、従来の方法と比較してはるかに大き
いパルス発生周波数である２〜２０パルス／秒を採用し
ても、均一性の高い全周溶接部１０を形成できる。具体
的には、貴金属チップのチップ被固着面への重ね合せ方
向、この場合、チップ３１’あるいは中心電極３の中心
軸線Ｏの方向における、全周レーザー溶接部１０の最小
幅ｌminと最大幅ｌmaxとの比ｌmin／ｌmaxが０．７以上
（望ましくは０．９以上）とすることができる。

【００２７】なお、図４（ａ）には、中心軸線Ｏと同軸
の円筒面（放電面３１ａの外径に等しい直径を有する）
にレーザー溶接部１０を投影したときの、その投影像の
展開図を示しており、上記のｌmin及びｌmaxを示してい
る。また、中心軸線Ｏの方向において、放電面３１ａの
外縁ＴＬからレーザー溶接部１０の放電面３１ａに対し
て近い側の縁までの最小距離ｈminは、ＴＬからレーザ
ー溶接部１０の放電面３１ａに対して近い側の各縁の積
分中心線ＵＣmまでの距離を平均発火部厚さｈavとし
て、ｈmin／ｈavが同様に０．７以上となっていること
が望ましい。これにより、例えばｈminとなる位置（多
くの場合、溶接部１０が最も広幅（ｌmax）となる位
置）において、貴金属発火部が少し消耗しただけで溶接
部の放電面への露出が発生し、着火ミス等を生ずる不具
合が効果的に防止される。

【００２８】溶接部１０は、図３（ａ）に示すように、
溶接部１０の中心軸線Ｏを挟んだ両側部分が半径方向に
おいてつながらない場合（この場合、溶接部１０はドー
ナツ状の形態を呈する）は、溶接後においてチップ厚さ
ｔcを、その軸断面から実測することが可能である。し
かし、同図（ｂ）に示すように、半径方向に両側の溶接
部がつながってしまう場合（溶接部１０は円板状の形態
を呈する）は、図４（ａ）に示すように、溶接部１０の
幅方向両側縁の積分中心線ＵＣm，ＬＣmの中間位置に基
準線ＣＭを設定し、その基準線ＣＭと放電面３１ａの外
縁ＴＬとの距離Ｈをチップ厚さｔcとして推定する。

【００２９】ここで、チップ径ｄcは、スパークプラグ
に要求される耐久性や着火性能等に応じて、０．４〜
１．２ｍｍの範囲にて適宜設定されるが、貴金属チップ
は一般に高価なのでなるべくその使用量を削減するため
に、その厚さｔcは前述の通り０．５〜１．５ｍｍと比
較的小さく設定されるのがよい。また、平均発火部厚さ
ｈavについては、０．２〜１．０ｍｍとするのがよい。
この理由としては、ｈavが０．２ｍｍ未満になると貴金
属発火部が少し消耗しただけで溶接部の放電面への露出
が発生し、スパークプラグの耐久性を低下させる場合が
あるからである。一方、ｈavが１．０ｍｍを超えると、
ギャップ拡大によりスパークプラグの寿命が到来したと
きに、貴金属チップが相当量残留した状態にてスパーク
プラグが交換されることとなるので、無駄が多くなるか
らである。これを前提とすれば、例えば、溶接後におい
てもチップ厚さｔcが確認可能な場合、平均発火部厚さ
ｈavとチップ厚さｔcに対する比ｈav／ｔcは、概ね０．
１３〜２．０となっていることが望ましいといえる。た
だし、図４（ｂ）に示すように、貴金属チップ３１’の
放電面と反対側の縁が、溶接部１０よりも基端側に突出
して位置するような場合にあっては、ｈav／ｔcが０．
２〜１．０となっていても、寿命到来とは無関係に、そ
の突出部分が全て無駄になってしまう問題を生ずること
となる。

【００３０】一方、貴金属チップの中心電極からの耐剥
離性を向上させるために、ＵＣmとＬＣmとの距離を平均
溶接部幅ｌavとして、該ｌavを０．４ｍｍ以上とするこ
とが望ましい。また、同様の観点において、図４（ｃ）
に示すように溶接部の中心軸線を挟んだ両側部分が半径
方向においてつながらない場合は、ｔc−ｈavが０．２
ｍｍ以上となっていることが望ましい。他方、図４
（ｄ）に示すように、半径方向の両側部分がつながって
しまう場合には、中心電極３の軸線方向において、放電
面３１ａから、溶接部１０と発火部３１との接合面上に
おいて溶接部１０が最も薄肉となる位置までの寸法をｔ
c2、同じく溶接部１０と中心電極３との接合面上におい
て溶接部１０が最も薄肉となる位置までの寸法をｔc3と
して、ｔc3−ｔc2が０．２ｍｍ以上となっていることが
望ましい。

【００３１】以下、本発明において望ましい溶接条件に
ついてさらに詳しく説明する。夲実施例のように、貴金
属チップ３１’が円板状に形成されている場合、図５
（ｂ）に示すように、該貴金属チップ３１と中心電極３
との重ね合せ組立体７０を、レーザー光源５０に対しチ
ップ中心軸線Ｏの周りにおいて相対的に回転させなが
ら、チップ外周面に向けてパルス状レーザー光ＬＢを照
射する方法が、上記のような全周レーザー溶接部を均一
に形成する方法として合理的である。この場合、組立体
７０又はレーザー光源５０の一方のみを回転させるよう
にしてもよいし、双方ともに（例えば互いに逆方向に）
回転させることも可能である。

【００３２】この場合、その回転速度は以下のように調
整することが望ましい。まず、重ね合せ組立体７０とレ
ーザー光源５０との相対回転速度は、レーザー光源５０
を１つのみ使用する場合は、１０ｒｐｍ以上（望ましく
は１２ｒｐｍ以上）とするのがよい。全周溶接を行うた
めには、組立体７０とレーザー光源５０とを最低１周分
は相対回転させなければならないが、その相対回転速度
が１０ｒｐｍ未満になると、１周分の溶接時間ひいては
１個のスパークプラグを製造するためのピースタイムが
長くなり、従来方法に対して必ずしも優位性を生ずるも
のとはならなくなる場合がある。

【００３３】ただし、図６あるいは図７のように、チッ
プ３１’の周方向に所定の間隔で複数のレーザー光源を
配して溶接を行えば、溶接完了するまでの回転数をさら
に減ずることができ、ひいては上記の相対回転速度の下
限値をさらに引き下げることができる場合がある。例え
ば、図６のように、略１８０°間隔で配置した２つのレ
ーザー光源５０ａ及び５０ｂにより溶接を行えば、各レ
ーザー光源５０ａ及び５０ｂが略半周分に対応する溶接
部１０ａ，１０ｂを各々分担すればよい。また、図７の
ように、略１２０°間隔で配置した３つのレーザー光源
５０ａ〜５０ｃにより溶接を行えば、各レーザー光源５
０ａ〜５０ｃがそれぞれ略１／３周分に対応する溶接部
１０ａ〜１０ｃを分担すればよい。

【００３４】なお、レーザー光源を複数使用する場合
も、各々のレーザー光源が本発明のレーザー溶接条件を
満足すればよい。その理由は、以下の通りである。すな
わち、複数のレーザー光源（ｎ個：ｎ≧２）を用いるに
あっては、同時にレーザー光を照射した際のチップ３
１’における温度上昇は大きくなる。しかし、各レーザ
ー光源は前述したようにチップ３１’に対してほぼ（１
／ｎ）周分に対応する溶接部を分担すればよく、単一の
レーザー光源を使用する場合と比較して（１／ｎ）の時
間で溶接が可能となる。その結果、チップ３１’に対す
る入熱時間が短縮され、各溶接部の幅が粗大化する不具
合が生じにくくなる。さらに、このように複数のレーザ
ー光源を用いて同時にレーザー光を照射することによ
り、溶接時間の短縮を図ることができ、生産効率の向上
にも寄与できる。

【００３５】一方、相対回転速度の上限値であるが、重
ね合せ組立体７０を回転させる場合は、溶接時に生ずる
溶融金属の遠心力による変形や飛散を防止するために、
最大でも２４０ｒｐｍ（秒速４回転）程度に留めるのが
よい。他方、溶接部１０に付加される遠心力は、外周最
大寸法ｄmaxに略比例して大きくなり、回転角速度に対
してはその２乗に略比例して大きくなると考えられるの
で、これを考慮した場合、重ね合せ組立体７０の回転速
度は、Ｖmax＝５π（２／ｄmax）^１／２（単位：ラジアン／秒）‥‥ で定まる値Ｖmax未満に設定することが望ましい（ただ
し、ｄmaxの単位はｍｍ）。

【００３６】上記式によれば、ｄmaxが小さくなるほ
どＶmaxは大きく取れることになる。例えば、ｄmax＝
２．０ｍｍとすればＶmaxはおよそ１５０ｒｐｍとなる
が、例えばｄmax＝１．５ｍｍではＶmax＝１７３ｒｐｍ
であり、ｄmax＝０．７ｍｍではＶmax＝２５３ｒｐｍで
ある。例えば、組立体７０とレーザー光源５０との双方
を回転させて、所期の相対回転数を形成する場合、中心
電極側の回転速度を増やすことができれば、その分、若
干複雑にならざるを得ないレーザー光源５０側の機構の
回転速度を減ずる（あるいは非回転とする）ことがで
き、ひいてはレーザー光源５０側の機構単純化あるいは
回転負担軽減を行うことが可能となる。

【００３７】なお、式によれば、概ねｄmax ＜０．７
８ｍｍでは、Ｖmaxは前記した望ましい上限値である２
４０ｒｐｍよりも大きくなる。ただし、本発明者の検討
によれば、上記のような小径のチップの場合でも、１パ
ルス当り１．５〜６Ｊのエネルギーのレーザー光を用い
て周方向に完全に連なる溶接部１０を形成するには、１
周に対して最低でも５つ分のパルス溶接ビードを形成し
なければならない。２４０ｒｐｍは秒速４回転であり、
前記したパルス発生周波数の上限値である２０パルス／
秒を用いても、１秒当りに５パルスがやっと打てる程度
である。従って、これよりも回転速度が大きくなると、
図８（ａ）に示すように、溶接ビード１０ｄが周方向に
間欠形成される形となり、１回転の間に周方向に連なる
パルス溶接ビードを形成完了できなくなる場合がある。
従って、式の観点からは２４０ｒｐｍを超える回転速
度が可能であっても、やはり２４０ｒｐｍ程度に回転速
度を留めておいたほうが有利であるともいえる。ただ
し、２回転目以降の溶接を行うことが許される場合は、
図８（ｂ）に示すように、溶接ビード１０ｄの形成角度
位相をずらせることにより、周方向に連なる溶接部１０
を形成することができる。

【００３８】他方、レーザー光源５０の側を回転させる
場合には、レーザー光線の照射位置ブレ等の発生を抑制
するために、その回転速度を９０ｒｐｍ以下に設定する
のがよい。

【００３９】なお、貴金属チップ３１’の厚さｔcが上
記のように小さい場合、放電面３１ａにかからないよう
に溶接部１０を形成するために、パルス状レーザー光Ｌ
Ｂを斜め上方から照射することが有効である。具体的に
は、図５（ｂ）及び（ｃ）に示すように、レーザー光Ｌ
Ｂのスポット内にチップ被固着面（この場合、中心電極
３の先端面）とチップ外周面との交差縁Ｑが入り、かつ
チップ被固着面に対する照射角度θが０°〜６０°の範
囲（例えば４５°）となるように重ね合せ組立体７０に
パルス状レーザー光ＬＢを照射することが望ましい。

【００４０】次に、貴金属チップ３１’のチップ被固着
面に対する位置決め固定を行いやすくするために、図５
（ｄ）に示すように、チップ外形形状に対応した位置決
め用凹部３ａをチップ被固着面に形成し、その位置決め
用凹部３ａ内に貴金属チップ３１’を嵌め込んで重ね合
せ組立体７０を作ることもできる。この場合、溶接接合
を確実に行うには、その凹部３ａの開口周縁とチップ外
周面との交差縁Ｑに向けてパルス状レーザー光ＬＢを照
射するのがよい。

【００４１】他方、図９に示すように、中心電極３のテ
ーパ面３ｔの先端部に、円筒状の突出部３ｄを形成し、
その平坦な先端面３ｓをチップ被固着面としてここに貴
金属チップ３１’を重ね合わせ、チップ被固着面とチッ
プ外周面との交差縁Ｑに向けてパルス状レーザー光ＬＢ
を照射するようにしてもよい。図１０（ａ）は、そのよ
うにして製造したスパークプラグの発火部３１近傍の拡
大斜視図であり、（ｂ）及び（ｃ）は、その縦断面図で
ある。（ｂ）は、溶接部１０の中心軸線Ｏを挟んで両側
の部分がつながらない場合、（ｃ）は両部分が半径方向
につながる場合の各状態を示している。なお、
（ａ）’、（ｂ）’、（ｃ）’に示すように、突出部３
ｄの全体を溶融させて溶接部１０中に取り込む形状とし
てもよい。

【００４２】また、図１１は、接地電極４側の発火部３
２の形成状態を示すもので、中心電極３側と同様の全周
レーザー溶接部２０が形成されている。図１２（ａ）に
示すように、接地電極４の火花放電ギャップｇ（図１）
に面することが予定された側面をチップ被固着面とし
て、ここに凹部４ａを形成し、その凹部４ａに貴金属チ
ップ３２’を嵌め込み固定する。その状態で、図５等と
同様にレーザー光源５０を用いて溶接部２０の形成を行
う。

【００４３】なお、表１に、各種材質の貴金属チップを
使用して各種ｄmaxの溶接部を形成する場合の、望まし
いレーザー溶接条件（１パルス当りのエネルギー、パル
ス長、パルス発生周波数、レーザー光源と重ね合せ組立
体との相対回転数（ただし、レーザー光源数は１））の
例を示す。

【００４４】

【表１】

【００４５】

【実施例】本発明の効果を確認するために、以下の実験
を行った。まず、INCONEL600を用い、図１に示す形状の
中心電極３を作製した。ただし、図５（ａ）において、
基端部外径Ｄ1を２．５ｍｍ、先端面径Ｄ2を１．３ｍ
ｍ、テーパ面３ｔのテーパ角度を４５°とした。他方、
合金溶解／圧延により作製したＰｔ−２０ｗｔ％Ｉｒ合
金板からの打抜き加工により、厚さ０．６〜０．８ｍ
ｍ、外径０．４〜１．５ｍｍの各種寸法の貴金属チップ
を作製した。

【００４６】次に、レーザー光源として、焦点でのビー
ム径０．４ｍｍの固定ＹＡＧレーザー光源を用意し、レ
ーザー出力エネルギー：１．８〜３Ｊ／パルス、パルス
幅２〜６ミリ秒、パルス発生周波数１〜２３パルス／秒
の各種条件に設定した。そして、上記の貴金属チップを
中心電極３の先端面のうちチップ被固着面として予定さ
れる面に重ね合わせ、中心電極３を回転速度６０ｒｐｍ
にて１周分だけ回転させながら、図５に示す方式（θ＝
４５°）により、上記のレーザー光源を用いて溶接部１
０を形成した。溶接終了後、拡大鏡を用いて、形成され
た溶接部１０の最大幅ｌmaxと最小幅ｌminとを測定し、
ｌmin／ｌmax≧０．９のものを優（○）、０．９＞ｌmi
n／ｌmax≧０．７のものを良（△）、０．７＞ｌmin／
ｌmaxのものを不良（×）として評価を行った。その結
果を表２に示す。

【００４７】

【表２】

【００４８】このように、本発明の請求項の範囲に属す
る条件にて溶接を行ったものは、いずれも優又は良の評
価が得られていることがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスパークプラグの一実施例を示す縦断
面図及びその要部拡大図。

【図２】図１のスパークプラグの中心電極先端部の拡大
斜視図及び先端面側平面図。

【図３】図２の縦断面図及びその変形例の縦断面図。

【図４】全周溶接部の展開説明図。

【図５】図１のスパークプラグの中心電極側発火部の製
造工程説明図。

【図６】図５の製造工程の変形例を示す説明図。

【図７】同じく別の変形例を示す説明図。

【図８】同じくさらに別の変形例を示す説明図。

【図９】変形例のスパークプラグの製造工程を説明する
図。

【図１０】図９の製造工程により製造されるスパークプ
ラグの要部斜視図、その縦断面図及びその変形委を示す
縦断面図。

【図１１】接地電極側発火部の斜視図。

【図１２】その製造工程説明図。

【図１３】従来の製造方法の問題点を示す説明図。

【符号の説明】

１主体金具２絶縁体３中心電極３ａ，４ａ位置決め用凹部４接地電極１０，２０全周レーザー溶接部３１，３２貴金属発火部３１’，３２’ 貴金属チップ３１ａ，３２ａ放電面５０レーザー光源７０重ね合せ組立体ｇ火花放電ギャップ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中心電極と、その中心電極の先端面に自
身の側面が対向するように配置された接地電極とを備
え、火花放電ギャップに対応する位置においてそれら中
心電極と接地電極との少なくとも中心電極側に、貴金属
チップを溶接することにより放電面を有する貴金属発火
部が形成されており、前記中心電極又は前記中心電極と前記接地電極との、少
なくともチップ被固着面形成部位がＮｉ又はＦｅを主成
分とする耐熱合金にて構成され、そのチップ被固着面に重ね合わされた前記貴金属チップ
と該チップ被固着面形成部位とにまたがる形で全周レー
ザー溶接部がチップ外周面に沿って形成されており、かつ、その全周レーザー溶接部は、前記貴金属チップの
放電面側において平面視したときのその外周最大寸法ｄ
maxが２．０ｍｍ未満であって、前記貴金属チップの厚
さ方向において前記放電面に到達せず、かつ貴金属チッ
プの前記チップ被固着面への重ね合せ方向における最小
幅ｌminと最大幅ｌmaxとの比ｌmin／ｌmaxが０．７以上
であることを特徴とするスパークプラグ。