JP2002313524A

JP2002313524A - スパークプラグおよびその製造方法

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Publication number: JP2002313524A
Application number: JP2001350443A
Authority: JP
Inventors: Keiji Kano; 啓二金生; Koen Hori; 恒円堀
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-02-08
Filing date: 2001-11-15
Publication date: 2002-10-25
Anticipated expiration: 2021-11-15
Also published as: US20020121849A1; DE10205075B4; JP3702838B2; FR2820551A1; DE10205075A1; US6831397B2; FR2820551B1

Abstract

(57)【要約】【課題】接地電極に貴金属チップをレーザ溶接して成
るスパークプラグにおいて、着火性を適切に確保しつ
つ、接地電極と貴金属チップとの接合性を向上させる。【解決手段】その一端側が接地電極４０にレーザ溶接
された貴金属チップ４５は、他端側の先端面の断面積が
０．１２ｍｍ²以上１．１５ｍｍ²以下であって接地電極
４０からの突出長さＬが０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下
のものであり、接地電極４０と貴金属チップ４５とが溶
け込み合った溶融部４７において、貴金属チップ４５の
側面４５ａと接地電極４０における貴金属チップ４５の
接合面４３とを結ぶ外面４７ａが、曲率半径Ｒを有して
凹んだ曲面形状となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、中心電極および接
地電極を放電ギャップを介して対向配置するとともに、
接地電極における放電ギャップに面する部位に貴金属チ
ップをレーザ溶接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】この種のスパークプラグは、内燃機関の
点火栓として用いられるが、排気浄化や希薄燃焼の観点
より、放電ギャップに面する電極面にＰｔ（白金）合金
やＩｒ（イリジウム）合金等の耐消耗性に優れた貴金属
よりなる貴金属チップを設け、それによって、着火性や
耐久性の向上を図っている。

【０００３】ここで、電極母材と貴金属チップとの接合
性向上の策として、従来より、特開平１１−２３３２３
３号公報や特開平９−１０６８８０号公報に記載されて
いるようなレーザ溶接を用いた手法が提案されている。

【０００４】前者公報は、電極母材の先端部を細径化
し、この細径化された部分に貴金属チップをレーザ溶接
するものであり、後者公報は、電極母材に貴金属チップ
を埋め込んでチップ周囲に電極母材の盛り上がった部分
を形成し、この盛り上がり部とチップとをレーザ溶接す
るものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者等の検討によれば、上記従来公報に記載の手法を用い
た場合、中心電極と貴金属チップとの接合においては、
実用レベルの接合性を確保できるが、接地電極と貴金属
チップとの接合においては、接合部から剥離が生じ、最
悪チップが脱落してしまうことがわかった。

【０００６】これは、スパークプラグの内燃機関への取
付形態において、接地電極が中心電極に比べて燃焼室内
に突出しているためであり、それによって、接地電極の
方が中心電極よりも電極温度が高くなり、貴金属チップ
と電極母材との間すなわち溶融部にて発生する熱応力が
大きくなるためである。

【０００７】そのため、貴金属チップを接地電極にレー
ザ溶接するにあたって、上記した従来手法以上に接合性
を良好なものとする必要がある。ただし、貴金属チップ
と接地電極との接合性を向上させるにあたっては、当該
接合性のみでなく着火性も考慮して検討していくことが
必要である。

【０００８】そこで、本発明は上記問題に鑑み、接地電
極に貴金属チップをレーザ溶接して成るスパークプラグ
において、着火性を適切に確保しつつ、接地電極と貴金
属チップとの接合性を向上させることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記の着
火性の確保及び接合性の向上化について、鋭意検討を行
った。まず、着火性については、貴金属チップは、その
径が細いほど、また、接地電極からの突出長さが長いほ
ど、放電ギャップにて発生する火炎核の成長を阻害しに
くいことに着目し、火炎核の成長を阻害せずに良好な着
火性を確保可能な貴金属チップの径および接地電極から
の突出長さについて実験検討を行った。

【００１０】また、接地電極と貴金属チップとの接合性
については、上記従来手法による貴金属チップのレーザ
溶接構造を中心電極に適用した場合に、中心電極とチッ
プとの溶融部に発生する熱応力（中心電極側熱応力）を
基準として考えた。これは、上述したように、従来手法
により発生する中心電極側熱応力のレベルであれば、実
用レベルの電極母材とチップとの接合性を確保できるた
めである。

【００１１】そして、接地電極とチップとのレーザ溶接
構造における溶融部の熱応力（接地電極側熱応力）が、
上記中心電極側熱応力を超えないような接地電極とチッ
プとのレーザ溶接構造を実現すれば、上記目的を達成す
ることができると考えた。

【００１２】ここで、上記従来公報のスパークプラグに
おいては、溶融部におけるチップの軸方向に沿った断面
をみたとき、貴金属チップの側面と電極母材における貴
金属チップの接合面とを結ぶ溶融部の外面が直線状とな
っている（図３参照）。このような溶融部形状に対し
て、溶融部を更に細いものとすれば、溶融部に発生する
熱応力を小さくし、接地電極と貴金属チップとの接合性
を向上させることができるのではないかと考えた。

【００１３】本発明は、上記したような着火性の確保及
び接合性の向上化に関する検討に基づいてなされたもの
である。

【００１４】すなわち、請求項１に記載の発明において
は、貴金属チップ（４５）を、その一端側が接地電極
（４０）にレーザ溶接され、他端側の先端面の断面積が
０．１２ｍｍ²以上１．１５ｍｍ²以下であって接地電極
からの突出長さ（Ｌ）が０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下
とし、接地電極と貴金属チップとが溶け込み合った溶融
部（４７）において、貴金属チップの側面（４５ａ）と
接地電極における貴金属チップの接合面（４３）とを結
ぶ外面（４７ａ）が、曲率半径（Ｒ）を有して凹んだ曲
面形状となっていることを特徴としている。

【００１５】上記した着火性と貴金属チップの径および
接地電極からの突出長さとの関係に関する実験検討の結
果、レーザ溶接された他端側の先端面の断面積が１．１
５ｍｍ²以下であって接地電極からの突出長さ（Ｌ）が
０．３ｍｍ以上の貴金属チップであれば、火炎核の成長
を阻害せずに良好な着火性を確保できることが実験的に
確認できた。

【００１６】一方、貴金属チップにおいて、上記断面積
が０．１２ｍｍ²より細いと火花が集中して消耗性が悪
化し、接地電極からの突出長さが１．５ｍｍよりも長い
とチップ先端の温度が大きく上昇し溶融しやすくなって
しまう。このことから、貴金属チップを、本発明のよう
な断面積および接地電極からの突出長さを有するものと
すれば、着火性を適切に確保することができる。

【００１７】また、溶融部に発生する熱応力を小さくす
るために溶融部形状を検討した結果、貴金属チップ（４
５）の側面（４５ａ）と接地電極（４０）における貴金
属チップの接合面（４３）とを結ぶ溶融部（４７）の外
面（４７ａ）が、曲率半径（Ｒ）を有して凹んだ曲面形
状となるようにすれば、溶融部において接合に要する容
積を確保しつつ、溶融部をできるだけ細いものにできる
と考えた。

【００１８】そして、実際に、上記形状をなす溶融部に
ついて解析したところ、当該溶融部に発生する熱応力
は、従来手法により発生する中心電極側熱応力以下に抑
制できることが確認できた。

【００１９】従って、以上のような検討結果に基づいて
なされた本発明によれば、着火性を適切に確保しつつ、
接地電極と貴金属チップとの接合性を向上させたスパー
クプラグを提供することができる。

【００２０】さらに、請求項１に記載の溶融部（４７）
における曲率半径（Ｒ）について、従来手法により発生
する中心電極側熱応力を基準にして解析したところ、当
該曲率半径が０．１ｍｍより小であるか、１．０ｍｍよ
り大であると、溶融部に加わる熱応力が、上記中心電極
側熱応力のレベルを超えやすくなってしまうことがわか
った（図８（ａ）参照）。

【００２１】このことから、曲率半径（Ｒ）は、０．１
ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好ましいが、実際
に貴金属チップ（４５）を接地電極（４０）にレーザ溶
接すると、曲率半径（Ｒ）を小さくしようとすると、溶
融部（４７）の溶け込み深さ（ｄ）が十分でなくなる
（図８（ｂ）参照）。

【００２２】そこで、実験および解析を行った結果、請
求項２に記載の発明のように、曲率半径（Ｒ）を、貴金
属チップ（４５）の接地電極（４０）と接している断面
の最大幅をＤとして、Ｄ／４以上３Ｄ／４以下の範囲と
することが、上記請求項１の発明の効果を発揮しつつ貴
金属チップの接合性を確保するためには好ましい。

【００２３】また、請求項３〜請求項６の発明は、上記
請求項１または請求項２に記載の貴金属チップの具体的
構成を提供するものである。請求項３に記載の発明で
は、Ｉｒを主成分としＲｈ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｗ、Ｐｄ、Ｒ
ｕ、Ｏｓの少なくとも一つが添加された合金であること
を特徴とする。

【００２４】より具体的には、請求項４に記載の発明の
ように、貴金属チップ（４５）は、Ｉｒを主成分とし、
５０重量％以下のＲｈ、５０重量％以下のＰｔ、４０重
量％以下のＮｉ、３０重量％以下のＷ、４０重量％以下
のＰｄ、３０重量％以下のＲｕ、２０重量％以下のＯｓ
の少なくとも一つが添加された合金であるものにするこ
とができる。

【００２５】また、請求項５に記載の発明のように、貴
金属チップ（４５）は、貴金属チップ（４５）は、Ｐｔ
を主成分としＩｒ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｗ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｏｓ
の少なくとも一つが添加された合金であるものであって
も良い。

【００２６】より具体的には、請求項６に記載の発明の
ように、貴金属チップ（４５）は、Ｐｔを主成分とし、
５０重量％以下のＩｒ、４０重量％以下のＮｉ、５０重
量％以下のＲｈ、３０重量％以下のＷ、４０重量％以下
のＰｄ、３０重量％以下のＲｕ、２０重量％以下のＯｓ
の少なくとも一つが添加された合金であるものにするこ
とができる。

【００２７】上記した貴金属チップを採用することで、
耐消耗性に優れた高融点組成を有する貴金属チップを実
現することができ、将来の熱負荷の厳しいエンジンで
も、十分に寿命を確保できる。そして、上記請求項１お
よび請求項２の発明は、このような貴金属チップを採用
した場合にも、適切に効果を発揮する。

【００２８】貴金属チップとして、このようなＩｒ合金
チップやＰｔ合金チップを用いた場合、溶融部における
貴金属チップの成分について解析した。その結果、請求
項７に記載の発明のように、溶融部（４７）における貴
金属チップ（４５）の成分が、３５重量％以上８０重量
％以下であれば、溶融部に加わる熱応力を、基準となる
上記中心電極側熱応力を越えないレベルに抑制できるこ
とがわかった。

【００２９】ここで言う溶融部における貴金属チップの
成分比の定義は、以下のようである。溶融部内の任意の
箇所において、５０μｍ四方の領域を１０箇所について
成分分析を行い、その平均値とする。レーザ溶接では、
実際は均一な成分比とはならず、多少ばらつきを持って
いるが、１０箇所の平均値をとる方法によれば、全体を
均一な組成とみなして良いことを、エンジン評価やベン
チ評価で確認済みである。

【００３０】また、請求項８に記載の発明では、中心電
極（３０）および接地電極（４０）を放電ギャップ（５
０）を介して対向配置するとともに、接地電極における
放電ギャップに面する部位に貴金属チップ（４５）をレ
ーザ溶接してなるスパークプラグの製造方法において、
貴金属チップの一端面（４５ｂ）を、接地電極に埋没さ
せることなく接地電極の表面（４３）に接触させ、続い
て、貴金属チップの側面（４５ａ）と接地電極の表面と
がなす角部（４９）に対して、これら貴金属チップの側
面及び接地電極の表面とは斜めの方向から、レーザ照射
を行い、貴金属チップと接地電極とを溶融させることを
特徴としている。

【００３１】本発明によれば、請求項１〜請求項７に記
載のスパークプラグを適切に製造し得るスパークプラグ
の製造方法を提供することができる。

【００３２】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。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。図１は本発明の実施形態に係るスパ
ークプラグＳ１の全体構成を示す半断面図である。この
スパークプラグＳ１は、自動車用エンジンの点火栓等に
適用されるものであり、該エンジンの燃焼室を区画形成
するエンジンヘッド（図示せず）に設けられたネジ穴に
挿入されて固定されるようになっている。

【００３４】スパークプラグＳ１は、導電性の鉄鋼材料
（例えば低炭素鋼等）等よりなる円筒形状の取付金具１
０を有しており、この取付金具１０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２０が固定されており、
この絶縁体２０の先端部２１は、取付金具１０の一端か
ら露出するように設けられている。

【００３５】絶縁体２０の軸孔２２には中心電極３０が
固定されており、この中心電極３０は取付金具１０に対
して絶縁保持されている。中心電極３０は、例えば、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
成された円柱体で、図１に示すように、その先端面３１
が絶縁体２０の先端部２１から露出するように設けられ
ている。

【００３６】一方、接地電極４０は、例えば、Ｎｉを主
成分とするＮｉ基合金からなる角柱より構成されてお
り、根元端部４２にて取付金具１０の一端に溶接により
固定され、途中で略Ｌ字に曲げられて、先端部４１の側
面（以下、先端部側面という）４３において中心電極３
０の先端面３１と放電ギャップ５０を介して対向してい
る。

【００３７】ここで、図２に、スパークプラグＳ１にお
ける放電ギャップ５０近傍の拡大構成を示す。上記のよ
うに放電ギャップ５０を介して中心電極３０の先端面３
１と接地電極４０の先端部側面４３とが対向して配置さ
れており、これら中心及び接地電極３０、４０における
放電ギャップ５０に面する部位３１、４３には、貴金属
チップ３５、４５がレーザ溶接により接合されている。

【００３８】すなわち、中心電極３０の先端面３１に
は、貴金属チップ（以下、中心電極側チップという）３
５が、また、接地電極４０の先端部側面４３には、貴金
属チップ（以下、接地電極側チップという）４５が、そ
れぞれ溶接されている。これら両チップは円柱状であ
り、その一端面側が各電極３０、４０にレーザ溶接され
ている。そして、放電ギャップ５０は、両チップ３５、
４５の先端部間の空隙であり、例えば０．７ｍｍ程度で
ある。

【００３９】これら両チップ３５、４５は、Ｐｔ、Ｐｔ
合金、Ｉｒ、Ｉｒ合金等の貴金属よりなるものを採用す
ることができる。例えば、Ｉｒを主成分としＲｈ、Ｐ
ｔ、Ｎｉ、Ｗ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｏｓの少なくとも一つが添
加されたＩｒ合金チップや、Ｐｔを主成分としＩｒ、Ｎ
ｉ、Ｒｈ、Ｗ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｏｓの少なくとも一つが添
加されたＰｔ合金チップとすることができる。

【００４０】より具体的に、上記Ｉｒ合金チップとして
は、Ｉｒを主成分とし、５０重量％以下のＲｈ、５０重
量％以下のＰｔ、４０重量％以下のＮｉ、３０重量％以
下のＷ、４０重量％以下のＰｄ、３０重量％以下のＲ
ｕ、２０重量％以下のＯｓの少なくとも一つが添加され
た合金であるものにすることができる。

【００４１】また、上記Ｐｔ合金チップとしては、Ｐｔ
を主成分とし、５０重量％以下のＩｒ、４０重量％以下
のＮｉ、５０重量％以下のＲｈ、３０重量％以下のＷ、
４０重量％以下のＰｄ、３０重量％以下のＲｕ、２０重
量％以下のＯｓの少なくとも一つが添加された合金であ
るものにすることができる。

【００４２】本例では、両チップ３５、４５として、Ｉ
ｒを主成分としてＲｈ、Ｐｔ、Ｒｕ、ＰｄおよびＷのう
ちすくなくとも１種が添加された耐消耗性に優れた高融
点のＩｒ合金チップを採用している。

【００４３】また、これら両チップ３５、４５のうち中
心電極側チップ３５と中心電極３０との溶接構造は、上
記した従来公報に記載の手法により形成されたものを採
用することができる。その断面構成を図３に概略的に示
す。

【００４４】図３に示す様に、溶融部３７におけるチッ
プ３５の軸方向に沿った断面をみたとき、チップ３５の
側面３５ａと中心電極３０の先端面（電極母材における
貴金属チップの接合面）３１とを結ぶ溶融部３７の外面
３７ａが直線状となっている。

【００４５】一方、接地電極側チップ４５と接地電極４
０との溶接構造において、本実施形態では、次のような
独自の構成を有している。図４は、接地電極４０側の溶
接構造の概略断面構成を示す図である。

【００４６】一端側が接地電極４０の先端部側面４３に
レーザ溶接された接地電極側チップ４５は、他端側の先
端面の断面積が０．１２ｍｍ²以上１．１５ｍｍ²以下で
あって且つ接地電極４０の先端部側面４３からの突出長
さＬが０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下である。本例で
は、上記断面積範囲に対応して、直径Ｄが０．４ｍｍ以
上１．２ｍｍ以下の円柱形状をなしている。

【００４７】そして、接地電極４０とチップ４５とが溶
け込み合った溶融部（溶融固着層）４７において、チッ
プ４５の側面４５ａと接地電極４０の先端部側面（接地
電極におけるチップの接合面）４３とを結ぶ外面４７ａ
が、曲率半径Ｒを有して凹んだ曲面形状となっている。

【００４８】このような曲率半径Ｒを有する接地電極４
０側の溶融部４７形状は、次のようにして形成すること
ができる。図５は、接地電極側チップ４５と接地電極４
０との溶接方法を概略断面にて示す説明図である。ま
ず、接地電極側チップ４５の一端面４５ｂを、接地電極
４０に埋没させることなく接地電極４０の先端部側面
（接地電極の表面）４３に接触させる（図５（ａ）〜
（ｃ））。

【００４９】続いて、当該先端部側面４３から外方へ延
びるチップ４５の側面４５ａと当該先端部側面４３とが
なす角部４９に対して、これらチップ４５の側面４５ａ
及び当該先端部側面４３とは斜めの方向（図中の白矢印
方向）から、レーザ照射を行い、チップ４５と接地電極
４０とを溶融させ、溶融部４７を形成する（図５
（ｄ）、（ｅ））。

【００５０】こうして、図４に示す溶融部４７を介した
接地電極側チップ４５と接地電極４０との溶接構造が適
切に形成される。なお、例えば、この後、取付金具１０
に対して接地電極４０を溶接固定し、絶縁体２０にて被
覆された中心電極３０を取付金具１０内に設置し、接地
電極４０を変形させる等により放電ギャップ５０を形成
することにより、図１に示すスパークプラグＳ１が製造
される。

【００５１】次に、上記接地電極側チップ４５における
レーザ溶接された他端側の先端面の断面積が、０．１２
ｍｍ²以上１．１５ｍｍ²以下であって且つ上記突出長さ
Ｌが０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とした根拠について
述べる。

【００５２】貴金属チップは、その径が細いほど、ま
た、接地電極からの突出長さが長いほど、放電ギャップ
にて発生する火炎核の成長を阻害しにくいと考えられ
る。そのため、火炎核の成長を阻害せずに良好な着火性
を確保可能な貴金属チップの直径および接地電極からの
突出長さについて、次のような判定試験を行った。

【００５３】上記Ｄ、Ｌを種々変えたスパークプラグＳ
１をエンジンに取り付け、判定方法は、アイドリング状
態にある空燃比にて、空燃比を大きくしていき、２分間
に点火ミスが２回以上発生する空燃比を限界値（着火限
界空燃比）とした。評価エンジンは４気筒１．６リット
ル、エンジン回転数６５０ｒｐｍで実施した。

【００５４】なお、限定するものではないが、この判定
試験における中心電極側チップ３５としては、例えば、
直径Ｄ’が０．４ｍｍ、中心電極３０の先端面３１から
の突出長さＬ’が０．６ｍｍである円柱体（図３参照）
を用い、放電ギャップ５０は０．７ｍｍとした。

【００５５】この試験結果を図６に示す。着火限界空燃
比は大きい方がそれだけ希薄燃焼可能であり、着火性が
良くなることを意味する。図６からわかるように、接地
電極側チップ４５の直径Ｄが細くなるほど着火性は向上
しているが、直径Ｄが１．３ｍｍに太くなると大幅に着
火性が低下している。

【００５６】また、接地電極側チップ４５の突出長さＬ
が大きいほど着火性は向上しているが、その向上の度合
は０．３ｍｍ以上で略飽和している。従って、図６か
ら、良好な着火性を確保可能な接地電極側チップ４５と
しては、直径Ｄが１．２ｍｍ以下（上記断面積が１．１
５ｍｍ²以下に相当）であって接地電極からの突出長さ
Ｌが０．３ｍｍ以上であることが必要なことがわかる。

【００５７】また、耐熱性・耐消耗性に優れた貴金属よ
りなる接地電極側チップ４５といえども、上記直径Ｄが
０．４ｍｍ（上記断面積が０．１２ｍｍ²に相当）より
細いと火花が集中して消耗性が悪化する。また、接地電
極４０からの突出長さＬが１．５ｍｍよりも長いと、チ
ップ４５の先端の温度が大きく上昇しチップ４５が溶融
しやすくなってしまう。

【００５８】これらのことから、本実施形態では、接地
電極側チップ４５を、レーザ溶接された他端側の先端面
の断面積が０．１２ｍｍ²以上１．１５ｍｍ²以下（本例
では直径Ｄが０．４ｍｍ以上１．２ｍｍ以下）であって
且つ上記突出長さＬが０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下で
あるものとしている。それによって、適切に着火性を確
保することができる。

【００５９】次に、接地電極４０とチップ４５とが溶け
込み合った溶融部４７において、チップ４５の側面４５
ａと接地電極４０の先端部側面４３とを結ぶ外面４７ａ
を、曲率半径Ｒを有して凹んだ曲面形状とした根拠につ
いて述べる。

【００６０】上記従来公報に記載の手法により、接地電
極側チップと接地電極とをレーザ溶接した場合、その溶
接構造は上記図３に示した中心電極３０の場合と同様の
構造となる。

【００６１】つまり、図７に示す様に、接地電極４０に
おいても、チップ４５の側面４５ａと接地電極４０の先
端部側面４３とを結ぶ溶融部４７の外面４７ａが直線状
となる。この場合、中心電極３０よりも使用時の温度が
高くなる接地電極４０においては、接地電極４０とチッ
プ４５との接合性は実用レベルを満足せず、使用時にお
いて接合部から剥離が生じ、最悪チップ４５が脱落して
しまう可能性が大きい。

【００６２】このような溶融部形状に対して、接地電極
４０側の溶融部４７の形状を、上述した曲率半径Ｒを有
して凹んだ曲面形状をなすものとすれば、当該溶融部４
７において接合に要する容積を確保しつつ、当該溶融部
４７をできるだけ細いものにできる。

【００６３】また、図７に示す様な従来形状では、チッ
プ４５と溶融部４７との界面および溶融部４７と接地電
極４０の先端部側面４３との界面で、屈曲点が存在し、
その箇所で強い熱応力が発生する。それに対して、図４
に示す様に、溶融部４７の外面４７ａを、上記曲面形状
とすることにより、チップ４７から溶融部４７、接地電
極４０に渡る面が、なめらかな曲線で構成されるため、
そのような応力集中が回避されると考えられる。

【００６４】従って、本実施形態によれば、当該溶融部
４７に発生する熱応力を小さくし、接地電極４０とチッ
プ４５との接合性を向上させることができると言える。

【００６５】ここで、接地電極４０側の溶融部４７に発
生する熱応力を、どの程度まで小さくするかという基準
としては、例えば、上記従来手法によるレーザ溶接構造
を中心電極に適用した構造にて発生する熱応力、すなわ
ち、本実施形態のスパークプラグＳ１における中心電極
３０側の溶融部３７に発生する熱応力（中心電極側熱応
力）を採用することができる。

【００６６】これは、本スパークプラグＳ１において
は、中心電極３０側では、電極とチップとの接合性を実
用レベルにて確保できているためである。そして、接地
電極４０側の溶融部４７において、曲率半径Ｒを変えて
いったときの当該溶融部４７に発生する熱応力（接地電
極側熱応力）について、上記中心電極側熱応力を基準と
してＦＥＭ（有限要素法）解析を行った。

【００６７】この溶融部の熱応力解析の結果を図８
（ａ）に示す。ここで、中心電極側及び接地電極側の熱
応力を求める場合、チップの直径Ｄ、Ｄ’を１．２ｍ
ｍ、突出長さＬ、Ｌ’を１．０ｍｍとし、溶融部３７、
４７のチップ成分は３５重量％とした。これは、接合性
の点から最も厳しい仕様である。また、熱応力の発生部
位としては、溶融部３７、４７における電極３０、４０
寄りの部位とした。

【００６８】図８（ａ）では、曲率半径Ｒを変えていっ
たときの接地電極側熱応力が、中心電極側熱応力レベル
を１と規格化した値である応力レベル比として示されて
いる。また、図８（ａ）中の「従来形状」は、上記図７
に示す形状であり、中心電極３０側の溶融部３５と同一
の溶融部形状であるにもかかわらず、発生する熱応力が
大きい。これは、使用時において、接地電極４０の温度
（例えば９００℃）が、中心電極３０の温度（例えば８
００℃）よりも高いためである。

【００６９】そして、図８（ａ）において、応力レベル
比が１以下となるような曲率半径Ｒであれば、接地電極
４０と接地電極側チップ４５との接合性は、従来の溶融
部形状に比して向上しており、実用レベルを確保できる
といえる。つまり、接地電極４０側の溶融部４７におけ
る曲率半径Ｒは、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下が好ま
しい。

【００７０】なお、図８（ａ）によれば、当該曲率半径
Ｒが０．１ｍｍより小であるか、１．０ｍｍより大であ
ると、接地電極側熱応力が、中心電極側熱応力のレベル
を超えている。これは、曲率半径Ｒが０．１ｍｍより小
であると溶融部形状が急峻となり熱応力が集中しやす
く、また、曲率半径Ｒが１．０ｍｍより大であると曲率
半径Ｒが大きすぎて従来の溶融部形状との相違が小さく
なり、曲率半径Ｒを付けたことのメリットが無くなるた
めと考えられる。

【００７１】以上のことから、本実施形態では、接地電
極４０側において、接地電極側チップ４５の側面４５ａ
と接地電極４０の先端部側面４３とを結ぶ溶融部４７の
外面４７ａを、曲率半径Ｒを有して凹んだ曲面形状とし
ている。そして、曲率半径Ｒは、０．１ｍｍ以上１．０
ｍｍ以下が好ましい。

【００７２】さらに、図８（ｂ）は、接地電極側チップ
４５の接地電極４０と接している断面を示す図である
が、実際に、接地電極側チップ４５を接地電極４０にレ
ーザ溶接する場合、曲率半径Ｒを小さくしようとする
と、溶融部４７の溶け込み深さｄが十分でなくなる。

【００７３】接地電極側チップ４５と接地電極４０との
接合性を確保するという点から、溶融部の溶け込み深さ
ｄは、Ｄ／４以上必要であることが実験的に確認されて
いる。ここで、Ｄは、図８（ｂ）に示すように、接地電
極側チップ４５の接地電極４０と接している断面の最大
幅であるが、本例では、円柱状である接地電極側チップ
４５の直径に相当する。

【００７４】しかし、溶け込み深さｄを大きくしようと
すると、溶接エネルギーが大きくなるため、図８（ｂ）
に示すナゲット幅Ｗが大きくなる。すると、曲率半径Ｒ
も大きくなってしまい、曲率半径Ｒを付けたことのメリ
ットが小さくなる。一方、曲率半径Ｒを小さくしようと
すると、ナゲット幅Ｗも小さくなり、上記溶け込み深さ
ｄも小さくなってしまい、接合性確保が困難になる。

【００７５】そこで、最低限必要な溶け込み深さｄの
値、すなわちｄ＝Ｄ／４となるときの曲率半径Ｒが、接
合性を確保するための下限値となる。本例の接地電極側
チップ４５のＤは０．４ｍｍ以上１．２ｍｍ以下である
が、この範囲のＤについてｄ＝Ｄ／４となるときの曲率
半径Ｒを実験的に求めると、Ｒ＝Ｄ／４（Ｄ×１／４）
となる。

【００７６】また、ＦＥＭ解析の結果から、曲率半径Ｒ
を付けたことのメリットを発揮するためには、上記Ｄは
３Ｄ／４（Ｄ×３／４）以下であることが好ましい。よ
って、上記曲率半径Ｒによる効果を発揮しつつ貴金属チ
ップの接合性を確保するためには、接地電極側チップ４
５の接地電極４０と接している断面の最大幅をＤとし
て、Ｄ／４以上３Ｄ／４以下の範囲とすることが好まし
い。

【００７７】また、本実施形態においては、接地電極側
チップ４５として、上記したＰｔ、Ｐｔ合金、Ｉｒ、Ｉ
ｒ合金等のチップを採用しているが、この場合、溶融部
４７におけるチップ４５の成分が、３５重量％以上８０
重量％以下であることが好ましい。

【００７８】このことは、次に述べる検討結果を根拠と
するものである。溶融部４７は、接地電極側チップ４５
と接地電極（Ｎｉ基合金）４０とが溶け込みあったもの
であるが故、その溶融組成によっても、接合性が変わっ
てくる。そこで、溶融部４７における接地電極側チップ
４５の成分と熱応力との関係についてＦＥＭ解析を実施
した。

【００７９】この解析結果の一例を図９に示す。図９
は、接地電極側チップ４５として上記Ｉｒ合金チップを
採用した例であり、溶融部４７中のＩｒ合金成分比（重
量％）と、上記応力レベル比（中心電極側熱応力を１と
したときの接地電極側熱応力の値）との関係を示してい
る。また、接地電極側熱応力は、上記図４中の溶融部４
７におけるａ点（チップと溶融部との界面部）、ｂ点
（溶融部と接地電極との界面部）を求め、図９中、ａ点
を黒丸プロット、ｂ点を白丸プロットとして示してあ
る。

【００８０】ここで、図９においても、中心電極側熱応
力を基準としているが、この場合、両チップ３５、４５
の直径Ｄ、Ｄ’及び、突出長さＬ、Ｌ’は同一寸法とし
た。また、中心電極３０側の溶融部３７のチップ成分
は、中心電極３０側において実用レベルの接合性を満足
する下限値（本例では３５重量％）とした。また、両チ
ップ３５、４５の材質は、限定するものではないが、本
例ではＩｒが９０重量％、Ｒｈ１０重量％のものとし
た。

【００８１】図９から、ａ点（チップと溶融部との界面
部）側の熱応力を、基準となる中心電極側熱応力以下と
するためには、３５重量％以上が好ましく、また、ｂ点
（溶融部と接地電極との界面部）側の熱応力を、基準と
なる中心電極側熱応力以下とするためには、８０重量％
以下が好ましいことがわかる。

【００８２】なお、接地電極側チップ４５は、接地電極
４０よりも放電ギャップ５０側へ突き出ており、接地電
極（電極母材）４０よりも温度が高くなるため、チップ
４５と溶融部４７との界面の方が、溶融部４７と接地電
極４０との界面よりも、発生する熱応力が大きくなる。
そのため、溶融部４７のチップ成分比を調整するにあた
っては、チップ４５寄りの部位を中心に調整することが
好ましいと考えられる。

【００８３】以上述べてきたように、本実施形態によれ
ば、上記のように、接地電極側チップ４５における寸法
Ｄ、Ｌおよび溶融部４７の形状が規定されたレーザ溶接
構造を採用することにより、着火性を適切に確保しつ
つ、接地電極と貴金属チップとの接合性を向上させたス
パークプラグを提供することができる。

【００８４】また、本実施形態によれば、上記図５に示
した製造方法によって、本実施形態のレーザ溶接構造を
適切に製造することができる。また、本製造方法によれ
ば、上記従来公報に記載されているような、電極母材を
加工して細径部を形成したり、電極母材に貴金属チップ
を埋め込んだりするといった手間がかからないので、簡
便な製造方法とすることができる。

【００８５】（他の実施形態）なお、本発明は、図１０
に示すような、中心電極３０と火花ギャップすなわち放
電ギャップ５０を形成する主接地電極４０に加え、絶縁
体２０の先端部２１に対向している副接地電極４０ａを
有するスパークプラグに対しても適用することができ
る。ここで、図１０において、（ａ）は主接地電極４０
の側面方向から火花放電部を見た図であり、（ｂ）は
（ａ）のＡ矢視図である。

【００８６】図１０に示すスパークプラグにおいて、主
接地電極４０およびこれにレーザ溶接された貴金属チッ
プ４５に対して、上記実施形態と同様の構成を採用すれ
ば、着火性を適切に確保しつつ、接地電極と貴金属チッ
プとの接合性を向上させるとともに、耐カーボン汚損性
も確保したスパークプラグを提供することができる。

【００８７】また、上記実施形態における接地電極４０
の母材として、インコネル６００（登録商標）などのＮ
ｉ基合金にＡｌを１．５重量％以上添加したものを用い
ると、高着火性を有し、かつ耐熱耐酸化性に優れたスパ
ークプラグを提供することができる。

【００８８】また、耐熱耐酸化性を向上させるために
は、図１１（ａ）に示すように、内部に良熱伝導材とし
てのＣｕ材４０ｂを有し、このＣｕ材４０ｂをＮｉ基合
金からなる被覆材４０ｃにて被覆してなる接地電極４０
としても良い。さらには、図１１（ｂ）に示すように、
良熱伝導材を、Ｎｉ材４０ｄを芯材としてＣｕ材４０ｂ
にて被覆した２層構造とし、これを被覆材４０ｃにて被
覆してなる接地電極４０としても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の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】図１に示すスパークプラグにおける放電ギャッ
プ近傍の拡大構成図である。

【図３】図１に示すスパークプラグにおける中心電極側
のチップ溶接構造を示す概略断面図である。

【図４】図１に示すスパークプラグにおける接地電極側
のチップ溶接構造を示す概略断面図である。

【図５】接地電極側チップと接地電極との溶接方法を示
す説明図である。

【図６】接地電極側チップの形状と着火性との関係につ
いての解析結果を示す図である。

【図７】接地電極側のチップ溶接構造における従来形状
を示す概略断面図である。

【図８】（ａ）は、曲率半径Ｒを変えていったときの溶
融部に発生する熱応力についての解析結果を示す図であ
り、（ｂ）は、溶融部の溶け込み深さｄとナゲット幅Ｗ
を表すために、貴金属チップの接地電極と接している断
面を示す図である。

【図９】溶融部におけるＩｒ合金チップの成分と熱応力
との関係についての解析結果を示す図である。

【図１０】主接地電極と副接地電極とを備えた本発明の
他の実施形態としてのスパークプラグの要部を示す図で
ある。

【図１１】複数の層構造からなる接地電極を備えた本発
明の他の実施形態としてのスパークプラグの要部を示す
概略断面図である。

【符号の説明】

３０…中心電極、４０…接地電極、４３…接地電極の先
端部側面、４５…接地電極側チップ、４５ａ…接地電極
側チップの側面、４５ｂ…接地電極側チップの一端面、
４７…接地電極側の溶融部、４７ａ…接地電極側チップ
の側面と接地電極の先端部側面とを結ぶ溶融部の外面、
５０…放電ギャップ。

フロントページの続きＦターム(参考） 5G059 AA04 CC02 CC05 DD11 EE11 EE19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放電ギャップ（５０）を介して対向配置
された中心電極（３０）および接地電極（４０）と、前記接地電極における前記放電ギャップに面する部位
（４３）にレーザ溶接された貴金属チップ（４５）とを
備えるスパークプラグにおいて、前記貴金属チップは、その一端側が前記接地電極にレー
ザ溶接され、他端側の先端面の断面積が０．１２ｍｍ²
以上１．１５ｍｍ²以下であって前記接地電極からの突
出長さ（Ｌ）が０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であり、前記接地電極と前記貴金属チップとが溶け込み合った溶
融部（４７）において、前記貴金属チップの側面（４５
ａ）と前記接地電極における前記貴金属チップの接合面
（４３）とを結ぶ外面（４７ａ）が、曲率半径（Ｒ）を
有して凹んだ曲面形状となっていることを特徴とするス
パークプラグ。
【請求項２】前記曲率半径（Ｒ）は、前記貴金属チッ
プ（４５）の前記接地電極（４０）と接している断面の
最大幅をＤとすると、Ｄ／４以上３Ｄ／４以下であるこ
とを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。
【請求項３】前記貴金属チップ（４５）は、Ｉｒを主
成分としＲｈ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｗ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｏｓの少
なくとも一つが添加された合金であることを特徴とする
請求項１または２に記載のスパークプラグ。
【請求項４】前記貴金属チップ（４５）は、Ｉｒを主
成分とし、５０重量％以下のＲｈ、５０重量％以下のＰ
ｔ、４０重量％以下のＮｉ、３０重量％以下のＷ、４０
重量％以下のＰｄ、３０重量％以下のＲｕ、２０重量％
以下のＯｓの少なくとも一つが添加された合金であるこ
とを特徴とする請求項３に記載のスパークプラグ。
【請求項５】前記貴金属チップ（４５）は、Ｐｔを主
成分としＩｒ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｗ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｏｓの少
なくとも一つが添加された合金であることを特徴とする
請求項１または２に記載のスパークプラグ。
【請求項６】前記貴金属チップ（５０、６０）は、Ｐ
ｔを主成分とし、５０重量％以下のＩｒ、４０重量％以
下のＮｉ、５０重量％以下のＲｈ、３０重量％以下の
Ｗ、４０重量％以下のＰｄ、３０重量％以下のＲｕ、２
０重量％以下のＯｓの少なくとも一つが添加された合金
であることを特徴とする請求項５に記載のスパークプラ
グ。
【請求項７】前記溶融部（４７）における前記貴金属
チップ（４５）の成分は、３５重量％以上８０重量％以
下であることを特徴とする請求項３ないし６のいずれか
一つに記載のスパークプラグ。
【請求項８】中心電極（３０）および接地電極（４
０）を放電ギャップ（５０）を介して対向配置するとと
もに、前記接地電極における前記放電ギャップに面する
部位に貴金属チップ（４５）をレーザ溶接してなるスパ
ークプラグの製造方法において、前記貴金属チップの一端面（４５ｂ）を、前記接地電極
に埋没させることなく前記接地電極の表面（４３）に接
触させ、続いて、前記貴金属チップの側面（４５ａ）と前記接地
電極の表面とがなす角部（４９）に対して、これら貴金
属チップの側面及び接地電極の表面とは斜めの方向か
ら、レーザ照射を行い、前記貴金属チップと前記接地電
極とを溶融させることを特徴とするスパークプラグの製
造方法。