JP2007234611A - 内燃機関用スパークプラグおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐火花消耗電極材と外側電極との接合強度の高い内燃機関用スパークプラグおよびその製造方法を実現する。
【解決手段】 外側電極１６を屈曲させて火花放電ギャップを形成する前の状態で外側電極１６の取付面１６ｂ上にチップ状の耐火花消耗電極材１８を設け、その耐火花消耗電極材１８および外側電極１６の境界部分に、パルスＹＡＧレーザＬを入射角θで照射し、耐火花消耗電極材１８を外側電極１６に溶接する。ここで、取付面１６ｂと、主体金具１１の端面１１ｂとの交点１１ｄから端面１１ｂの最遠端の交点１１ｅまでの距離をＸとし、交点１１ｄから耐火花消耗電極材１８の交点（最近点）１８ａまでの距離をＹとした場合に、（Ｘ／Ｙ）＜ｔａｎθであり、かつ、θ＜９０゜なる条件を満足する入射角θに設定することにより、境界部分の全周を溶接することができる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、火花放電部となる外側電極にチップ状の耐火花消耗電極材を設けた内燃機関用スパークプラグ及びその製造方法に関する。

従来、上記内燃機関用スパークプラグの製造方法として、たとえば、図１０に示す方法（特許文献１）が知られている。
まず、内燃機関用スパークプラグの火花放電部側の構成について、それを示す図９を参照して説明する。内燃機関用スパークプラグ１０には、主体金具１１が備えられている。主体金具１１は、開口した端面１１ｂを有する円筒形状に形成されており、その周面には、エンジンブロックに形成された雌ねじにねじ込むための雄ねじが周面に形成されている。主体金具１１の内側には、絶縁体１２が固定されており、この絶縁体１２の内部には、中心電極１３が固定されている。中心電極１３の先端には、複合電極チップ１４が接合されており、この複合電極チップ１４は、耐蝕性非貴金属製部材１４ａの上面に耐火花消耗電極材１４ｃを接合して構成されている。耐蝕性非貴金属製部材１４ａおよび耐火花消耗電極材１４ｃは、両者が溶融した溶接部１４ｂによって溶接されている。

また、主体金具１１の端面１１ｂのリング状の周縁上には、湾曲形成された外側電極１６が接合されており、この外側電極１６の先端部下面には、複合電極チップ１５が接合されている。この複合電極チップ１５と複合電極チップ１４との間で放電が行われる。
ここで、複合電極チップ１５の接合方法について図１０を参照して説明する。
図１０（Ａ）〜図１０（Ｆ）は、複合電極チップ１５の製造から外側電極１６への溶接までの工程を示す説明図である。
図１０（Ａ）に示すように、円板形状の耐火花消耗電極材１５ｃと、円柱形状の耐蝕性非貴金属製部材１５ａとを用意し、図１０（Ｂ）に示すように、耐蝕性非貴金属製部材１５ａの上面に耐火花消耗電極材１５ｃを載せ、それらの境界部分にレーザなどのビームＢを照射する。これにより、上記境界部分には、耐蝕性非貴金属製部材１５ａおよび耐火花消耗電極材１５ｃの溶融による溶接部１５ｂが形成される。続いて、耐蝕性非貴金属製部材１５ａを周方向へ回転させることにより、図１０（Ｃ）に示すように、上記境界部分の全周が溶接され、耐蝕性非貴金属製部材１５ａおよび耐火花消耗電極材１５ｃが接合される。

そして、図１０（Ｄ）に示すように、耐蝕性非貴金属製部材１５ａをカッタ１７によって切断し、複合電極チップ１５を作成する。続いて、折曲形成して火花放電ギャップを形成する前の外側電極１６（図１０（Ｅ））の先端部（図１０（Ｆ））に複合電極チップ１５を配置し（図１０（Ｇ））、複合電極チップ１５を抵抗溶接によって外側電極１６に接合する。続いて、外側電極１６を内方に折曲形成し、図９に示したように、複合電極チップ１４および複合電極チップ１５間で火花放電ギャップを作成する。

また、従来、内燃機関用スパークプラグの製造方法として、図１１に示す方法（特許文献２）が知られている。
図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）は、チップ状の耐火花消耗電極材を中心電極に溶接する工程を示す説明図である。
この方法では、図１１（Ａ）に示すように、中心電極２０の先端に耐火花消耗電極材８０を配置し、抵抗溶接機の溶接電極９０により、圧力Ｐおよび投入電流Ｉで中心電極２０および耐火花消耗電極材８０の抵抗溶接を行う。続いて、図１１（Ｂ）に示すように、レーザＬを中心電極２０の中心軸に対して４５゜の入射角で耐火花消耗電極材８０の外周に沿って照射し、図１１（Ｃ）に示すように、耐火花消耗電極材８０および中心電極２０が混ざり合った溶融層８１を形成する。これにより、中心電極２０に耐火花消耗電極材８０が固定される。
特開平８−２９８１７８号公報 特開平９−１０６８８０号公報

しかし、上述した従来の前者の方法（特許文献１）は、複合電極チップ１５を外側電極１６に抵抗溶接する際に、抵抗溶接機による機械的な押圧力が加わるため、溶接部１５ｂに亀裂が入る可能性を考慮すると、あまり大きな押圧力で抵抗溶接できない。
つまり、あまり大きな押圧力で抵抗溶接できないため、耐火花消耗電極材と外側電極との接合強度が不足するという問題がある。
また、上述した後者の方法（特許文献２）は、抵抗溶接を用いないため上記問題は発生しないが、耐火花消耗電極材８０を外側電極１６に溶接する方法として適用すると、従来の問題点を説明する図１２に示すように、レーザＬがＡで示す部分で干渉してしまうため、耐火花消耗電極材８０の全周を溶接できない。
つまり、耐火花消耗電極材８０の全周を溶接できないため、耐火花消耗電極材と外側電極との接合強度が不足するという問題がある。

そこで、本発明は、耐火花消耗電極材と外側電極との接合強度の高い内燃機関用スパークプラグおよびその製造方法を実現することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、軸孔が形成されており、開口した端面を有する内燃機関に取付けるための主体金具の端面に取付けられた外側電極の前記軸孔側の取付面上に突出した状態に配置された耐火花消耗電極材と前記外側電極との境界部分に、エネルギの集中する光線を前記取付面と前記主体金具の前記端面との交点（以下、第１交点という。）での前記端面に対する鉛直線に対して入射角θで照射し、前記耐火花消耗電極材および前記外側電極の混合物質よりなる溶融金属部を前記耐火花消耗電極材および前記外側電極の境界周囲に形成して、前記耐火花消耗電極材および前記外側電極を溶接するに際し、
前記耐火花消耗電極材の中心を通るように前記主体金具の中心軸方向に切断した断面において、前記第１交点から前記主体金具の中心軸と交差し、前記主体金具の端面の最遠端との交点（以下、第２交点という。）までの距離をＸとし、前記第２交点から前記耐火花消耗電極材における前記主体金具の前記端面との最近点に向けて引いた直線を引いた場合の延長線と前記鉛直線との交点（以下、第３交点という。）と、前記第１交点との距離をＹとした場合に、（Ｘ／Ｙ）＜ｔａｎθであり、かつ、θ＜９０゜の関係を満足するという技術的手段を用いる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の内燃機関用スパークプラグの製造方法において、前記主体金具の前記軸孔内には、前記外側電極との間に火花放電ギャップを形成する中心電極が保持された絶縁体が該主体金具の前記端面から突出するように固定されており、前記主体金具の端面から前記中心電極の先端までの高さをＡ、前記端面から突出している前記絶縁体の突出高さをＢ、前記中心電極の厚みをＣ、前記主体金具の前記端面の外径をＤ、前記主体金具から突出している絶縁体の前記端面の位置における幅をＨとし、ｔａｎθａ＝（Ｄ／２−Ｃ／２）／Ａ、ｔａｎθｂ＝（Ｄ／２−Ｈ／２）／Ｂとした場合において、θａ＞θ＜９０゜であり、かつ、θｂ＞θ＜９０゜の関係を満足するという技術的手段を用いる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の内燃機関用スパークプラグの製造方法において、前記エネルギの集中する光線の出射位置から前記光線が照射される耐火花消耗電極材と前記外側電極との境界位置に至るまでの集光角度をθｃとした場合に入射角θの最小角度θｍは、ｔａｎθ＝（Ｘ／Ｙ）を満足するθにθｃ／２を加算した角度であり、かつ、θ＜９０゜の関係を満足するという技術的手段を用いる。

請求項４に記載の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関用スパークプラグの製造方法において、前記溶接は、前記外側電極を屈曲させて前記中心電極との間で火花放電ギャップを形成する前に、前記外側電極を前記主体金具に取付け、その外側電極の前記中心電極と対向させる取付面上の耐火花消耗電極材の中心を通り、前記外側電極の取付面と直交する回転軸を中心にして回転させ、前記エネルギの集中する光線を前記入射角θで前記境界部分に照射することにより行うという技術的手段を用いる。

請求項５に記載の発明では、請求項１ないし請求項４に記載のいずれか１つの内燃機関用スパークプラグの製造方法によって製造された内燃機関用スパークプラグであって、前記耐火花消耗電極材および外側電極の境界部分には、その内部に前記耐火花消耗電極材および外側電極の材料からなる溶融合金部が形成されており、その溶融合金部と、前記チップ状の耐火花消耗電極材および外側電極との境界を放物線で近似した場合において、その放物線の中心軸と、前記外側電極の取付面とがなす角度θｄが、（Ｘ／Ｙ）＜ｔａｎθｄであり、かつ、θｄ＜９０゜であるという技術的手段を用いる。

請求項１ないし請求項４に記載の発明では、エネルギの集中する光線をチップ状の耐火花消耗電極材および外側電極の境界部分に（Ｘ／Ｙ）＜ｔａｎθであり、かつ、θ＜９０゜の条件を満たす入射角θで照射する。
ここで、Ｘは、取付面と主体金具の端面との交点（第１交点）から主体金具の中心軸と交差し、前記主体金具の端面の最遠端との交点（第２交点）までの距離である。また、Ｙは、前記第２交点から耐火花消耗電極材における主体金具の端面との最近点（端面に最も近い点）に向けて直線を引いた場合の延長線と第１交点での前記端面に対する鉛直線との交点（第３交点）と、前記第１交点との距離である。
したがって、（Ｘ／Ｙ）＝ｔａｎθを満たすθは、外側電極が主体金具の端面に垂直に取付けられた場合に、ちょうど主体金具の上記端部から、耐火花消耗電極材と外側電極との境界部分のうち上記交点に近い方の境界部分に向けて照射した場合の入射角となる。
つまり、エネルギの集中する光線を（Ｘ／Ｙ）＜ｔａｎθであり、かつ、θ＜９０゜の条件を満たす入射角θで上記境界部分に照射すれば、上記境界部分の全周を溶接することができる。これにより、耐火花消耗電極材および外側電極の接合強度を高めることができる。

特に、請求項２に記載の発明では、エネルギの集中する光線をチップ状の耐火花消耗電極材および外側電極の境界部分にｔａｎθａ＝（Ｄ／２−Ｃ／２）／Ａ、ｔａｎθｂ＝（Ｄ／２−Ｈ／２）／Ｂとした場合において、θａ＞θ＜９０゜であり、かつ、θｂ＞θ＜９０゜の条件を満たす入射角θで照射する。
ここで、Ａは、主体金具の端面から中心電極の先端までの高さであり、Ｂは、上記端面から突出している絶縁体の突出高さであり、Ｃは、中心電極の幅であり、Ｄは、主体金具の上記端面の外径であり、Ｈは、主体金具から突出している絶縁体が上記端面と交差している幅である。
したがって、ｔａｎθａ＝（Ｄ／２−Ｃ／２）／Ａを満たすθａは、ちょうど主体金具の上記端部から、中心電極の先端の両角部のうち主体金具の上記最遠端に近い方の角部に照射した場合の入射角となる。
また、ｔａｎθｂ＝（Ｄ／２−Ｈ／２）／Ｂを満たすθｂは、ちょうど主体金具の上記端部から、絶縁体の上端の両角部のうち主体金具の上記最遠端に近い方の角部に照射した場合の入射角となる。
つまり、エネルギの集中する光線をθａ＞θ＜９０゜であり、かつ、θｂ＞θ＜９０゜の条件を満たす入射角θで上記境界部分に照射すれば、主体金具の端面の上記端部、中心電極の先端の角部および絶縁体の上端の角部が障害となることなく、上記境界部分の全周を溶接することができる。

また、請求項３に記載の発明では、ｔａｎθ＝（Ｘ／Ｙ）を満足するθにθｃ／２を加算した角度であり、かつ、θ＜９０゜の条件を満たす角度を入射角θの最小角度θｍとする。
ここで、θｃは、エネルギの集中する光線の出射位置から前記光線が照射される耐火花消耗電極材と前記外側電極との境界位置に至るまでの集光角度である。
つまり、エネルギの集中する光線に所定の集光角度θｃがある場合、光線の光軸に基づいて入射角θを設定すると、その入射角θの最小角度近傍では、光線の外縁が主体金具の端部などに干渉する場合が考えられるが、集光角度θｃの１／２の角度を加味することにより、光線の外縁の干渉をなくすことができる。これにより、エネルギ効率を高めることができるため、接合強度をより一層高めることができる。

さらに、請求項４に記載の発明では、外側電極を屈曲させて中心電極との間で火花放電ギャップを形成する前に、外側電極を主体金具に取付け、その外側電極の中心電極側の取付面上の耐火花消耗電極材の中心を通り、外側電極の取付面と直交する回転軸を中心にして回転させ、エネルギの集中する光線を入射角θで境界部分に照射することにより、耐火花消耗電極材および外側電極を溶接する。
つまり、エネルギの集中する光線を入射角θに固定し、内燃機関用スパークプラグを回転させることにより、耐火花消耗電極材および外側電極を溶接することができる。

そして、請求項５に記載の発明では、請求項１ないし請求項４に記載のいずれか１つの内燃機関用スパークプラグの製造方法によって製造された内燃機関用スパークプラグであって、耐火花消耗電極材および外側電極の境界部分には、その内部に耐火花消耗電極材および外側電極の材料からなる溶融合金部が形成されており、その溶融合金部と、耐火花消耗電極材および外側電極との境界を放物線で近似した場合において、その放物線の中心軸と、外側電極の取付面とがなす角度θｄが、（Ｘ／Ｙ）＜ｔａｎθｄであり、かつ、θｄ＜９０゜であるという技術的手段を採用する。
つまり、エネルギの集中する光線は、その焦点においてエネルギが最大となり、その焦点から外れるにしたがってエネルギが小さくなるため、溶融合金部の形状は、ほぼ光線の形状に対応する形状になる。そして、光線の入射角が変化すると光軸も傾き、それに伴って上記放物線の中心軸も傾く。
したがって、上記放物線の中心軸が外側電極となす角度θｄが、（Ｘ／Ｙ）＜ｔａｎθｄであり、かつ、θｄ＜９０゜である場合は、その内燃機関用スパークプラグは、請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関用スパークプラグの製造方法によって製造されたものとなる。

本発明者らは、チップ状の耐火花消耗電極材と外側電極との接合強度の高い内燃機関用スパークプラグを製造するための実験を行った。この実験では、エネルギの集中する光線としてパルスＹＡＧレーザを用いた。そして、外側電極を屈曲形成して火花放電ギャップを形成する前に、パルスＹＡＧレーザを照射することにより、外側電極とチップ状の耐火花消耗電極材とを接合する手法を用い、その手法を用いるための条件を求めた。
最初に、本実験に用いた装置の主要構成について、それを示す図１を参照して説明する。
本実験装置には、パルスＹＡＧレーザ発振器３０と、このパルスＹＡＧレーザ発振器３０から出射されたパルスＹＡＧレーザを集光する集光レンズ３１と、この集光レンズ３１から出射されたパルスＹＡＧレーザを導く光ファイバ３２と、この光ファイバ３２から出射されたパルスＹＡＧレーザを照射位置へ導く出射ユニット３３とが備えられている。

次に本実験に用いた内燃機関用スパークプラグ先端部の各構成部材の寸法について図２および図３（Ａ）を参照して説明する。
図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、内燃機関用スパークプラグ１０の火花放電側の先端部を示す部分説明図である。図３（Ａ）は、外側電極および耐火花消耗電極材の溶接部分の縦断面を拡大して示す説明図である。
また、本実験は、Ｍ１０、Ｍ１２およびＭ１４の各タイプの内燃機関用スパークプラグを用いて行った。Ｍの次の数字は、主体金具１１の周面に形成された雄ねじのねじ山の頂間の直径（最大径（単位ｍｍ））をそれぞれ示す。また、各タイプのねじ先部の直径（最小径（単位ｍｍ））は、それぞれ８．５ｍｍ、１０．１ｍｍ、１２．１ｍｍである。
なお、図９に示した従来の内燃機関用スパークプラグと同一の構成部材については同一の符号を用いる。

主体金具１１の最小径をＤとする。耐火花消耗電極材１４ｃの中心軸Ｐ１と、端面１１ｂとが交差する交点１１ｃから、外側電極１６の基部１６ａの取付面１６ｂ側が端面１１ｂと交差する交点（第１交点）１１ｄまでの距離をＲとする。端面１１ｂから耐火花消耗電極材１４ｃの先端までの高さ（以下、出寸法と称する）をＡとし、耐火花消耗電極材１４ｃと耐火花消耗電極材１８との間に形成される火花放電ギャップをＧとする。耐火花消耗電極材１４ｃの直径をＣとし、端面１１ｂから突出している絶縁体１２が端面１１ｂと交差する幅をＨとする。
また、図２（Ａ）において破線で示すように、外側電極１８を屈曲させて火花放電ギャップを形成する前の状態において、取付面１６ｂと主体金具１１の端面１１ｂとの交点（第１交点）１１ｄから主体金具１１の中心軸Ｐ１と交差し、主体金具１１の端面１１ｂの最遠端との交点（第２交点）１１ｅまでの距離をＸとし、交点１１ｅから耐火花消耗電極材１８における主体金具１１の端面１１ｂとの最近点（端面１１ｂに最も近い点）に向けて直線を引いた場合の延長線Ｎ１と交点１１ｂでの端面１１ｂに対する鉛直線Ｎ２との交点（第３交点）１８ａと、交点１１ｂとの距離をＹとする。
なお、図２（Ａ）に示すように、外側電極１８を端面１１ｂに垂直に溶接した場合には、耐火花消耗電極材１８の最近点と第３交点１８ａとは一致するが、図２（Ｂ）に示すように、外側電極１８を端面１１ｂに対して中心電極１３側に傾けて溶接した場合は、耐火花消耗電極材１８の最近点と第３交点１８ａとは一致しない。

さらに、図１に示すように、パルスＹＡＧレーザを照射して耐火花消耗電極材１８を外側電極１６に溶接すると、耐火花消耗電極材１８および外側電極１６の混合物質によりなる溶融合金部１９が、耐火花消耗電極材１８および外側電極１６の境界周囲に形成される。
そこで、図３（Ａ）に示すように、外側電極１６および耐火花消耗電極材１８を耐火花消耗電極材１８の中心を通るように切断すると、溶融合金部１９の断面１９ａおよび１９ｂが表れる。そして、一方の断面１９ａと外側電極１６の断面との交点１９ｃから、断面１９ａと耐火花消耗電極材１８の断面との交点１９ｄに至るまでの外縁１９ｅの略中央を点Ｐ２とし、他方の断面１９ｂと外側電極１６の断面との交点１９ｆから、断面１９ｂとチップ状の耐火花消耗電極材１８の断面との交点１９ｇに至るまでの外縁１９ｈの略中央を点Ｐ３とした場合の点Ｐ２から点Ｐ３までの直線距離をＥとする。

次に本実験の内容について図３（Ｂ）、図４および図５を参照して説明する。
図３（Ｂ）は、溶融合金部の放物線の中心軸と外側電極とが成す角度を説明する説明図である。図４（Ａ）ないし図４（Ｃ）は、火花放電ギャップＧおよび出寸法Ａの違いによる入射角の変化を調べた実験内容を示す説明図であり、図４（Ｄ）は、外側電極の取付位置が内外にずれた場合の入射角の変化を調べた実験内容を示す説明図である。
図５（Ｅ）は、出寸法Ａ＝５ｍｍのＭ１０、Ｍ１２およびＭ１４の各タイプの入射角を調べた実験内容を示す説明図であり、図５（Ｆ）は、出寸法Ａ＝５ｍｍのＭ１０の内燃機関用スパークプラグにおける入射角を示す説明図であり、図５（Ｇ）および図５（Ｈ）は、パルスＹＡＧレーザの焦点距離の違いによる集光角度の変化を示す説明図である。

本発明者らは、主体金具１１と干渉しないようにするために必要なパルスＹＡＧレーザＬの最小入射角について、火花放電ギャップＧおよび出寸法Ａを変化させて調べた。
最初に、図４（Ａ）に示すように、出寸法Ａが２ｍｍのＭ１４を用い、火花放電ギャップＧを０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍに変化させた場合のパルスＹＡＧレーザＬの入射角θについて調べた。また、チップ状の耐火花消耗電極材１８の外側電極１６への溶接は、その方法を説明する図８に示すように、耐火花消耗電極材１８の中心を通り、外側電極１６の取付面１６ｂと直交する線を回転軸Ｗに設定し、内燃機関用スパークプラグ１０自身を回転軸Ｗを中心に回転させ（矢印Ｆ１で示す方向）、パルスＹＡＧレーザＬを一定の入射角θで耐火花消耗電極材１８および外側電極１６の境界に照射して行った。

なお、耐火花消耗電極材１４ｃは、Ｉｒ＝２０ｗｔ％ＲｈやＩｒ−５ｗｔ％ＰｔなどのＰｔやＲｈを含んだＩｒ合金によって形成されており、外側電極１６は、Ｃｕ合金の芯およびＮｉ合金の外皮より形成されている。外側電極１６の長さは１０ｍｍであり、外側電極１６の先端から耐火花消耗電極材１８の中心までの距離は１ｍｍである。また、耐火花消耗電極材１４ｃの径および厚みはφ１．２ｍｍ×０．５ｍｍである。さらに、パルスＹＡＧレーザＬの照射エネルギは３Ｊであり、照射時間は５ｍｓである。そして、内燃機関用スパークプラグ１０を１回転／ｓ〜０．５回転／ｓで１回転させた。
その結果、上記３種類の火花放電ギャップＧのいずれの場合でも、パルスＹＡＧレーザＬを照射して耐火花消耗電極材１８を外側電極１６に溶接することができた。そしてその時のパルスＹＡＧレーザＬの入射角θは、図４（Ａ）に示すように、火花放電ギャップＧ＝０．５ｍｍの場合が５９゜であり、火花放電ギャップＧ＝１．０ｍｍの場合が５７゜であり、火花放電ギャップＧ＝１．５ｍｍの場合が５５゜であった。

次に本発明者らは、図４（Ｂ）に示すように、出寸法Ａを３．５ｍｍに固定し、火花放電ギャップＧを０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍに変化させた場合のパルスＹＡＧレーザＬの入射角θについて調べた。
なお、主体金具１１から突出している絶縁体１２が主体金具１１と交差する幅（本実施形態では外径）Ｈ＝５．１ｍｍである。
その結果、上記３種類の火花放電ギャップＧのいずれの場合でも、パルスＹＡＧレーザＬを照射して耐火花消耗電極材１８を外側電極１６に溶接することができた。そしてその時のパルスＹＡＧレーザＬの入射角θは、図４（Ｂ）に示すように、火花放電ギャップＧ＝０．５ｍｍの場合は入射角θ＝５４゜であり、火花放電ギャップＧ＝１．０ｍｍの場合は入射角θ＝５２゜であり、火花放電ギャップＧ＝１．５ｍｍの場合は入射角θ＝５０゜であった。

次に本発明者らは、図４（Ｃ）に示すように、出寸法Ａを５．０ｍｍに固定し、火花放電ギャップＧを０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍに変化させた場合のパルスＹＡＧレーザＬの入射角θについて調べた。
その結果、上記３種類の火花放電ギャップＧのいずれの場合でも、パルスＹＡＧレーザＬを照射して耐火花消耗電極材１８を外側電極１６に溶接することができた。そしてその時のパルスＹＡＧレーザＬの入射角θは、図４（Ｃ）に示すように、火花放電ギャップＧ＝０．５ｍｍの場合は入射角θ＝４９゜であり、火花放電ギャップＧ＝１．０ｍｍの場合は入射角θ＝４７゜であり、火花放電ギャップＧ＝１．５ｍｍの場合は入射角θ＝４６゜であった。

次に本発明者らは、図４（Ｄ）に示すように、外側電極１６の取付位置が内外に１ｍｍずれた場合の入射角θについて、出寸法Ａが２．０ｍｍの場合と５．０ｍｍに場合とについて調べた。
その結果、図４（Ｄ）に示すように、外側電極１６の取付位置が内外に１ｍｍずれても、いずれの出寸法の場合も、パルスＹＡＧレーザＬの光軸は、ほぼ一致し、入射角θは、ほとんど変化せず、耐火花消耗電極材１８を外側電極１６に溶接することができた。

次に本発明者らは、図５（Ｅ）に示すように、出寸法Ａが５．０ｍｍのＭ１０、Ｍ１２およびＭ１４についてのパルスＹＡＧレーザＬの入射角θについて調べた。
その結果、図５（Ｅ）に示すように、Ｍ１２の場合は入射角θ＝４３゜であり、Ｍ１４の場合は入射角θ＝４６゜であり、いずれの場合もパルスＹＡＧレーザＬを照射して耐火花消耗電極材１８を外側電極１６に溶接することができた。
しかし、Ｍ１０の場合は、パルスＹＡＧレーザＬが、絶縁体１２および中心電極１４ｃに干渉するため溶接できないことが分かった。そのときの入射角θは３８゜であった。
そこで、本発明者らは、出寸法Ａ＝５．０ｍｍ、絶縁体１２の幅Ｈ＝４ｍｍ、中心電極１４ｃの径Ｃ＝０．６ｍｍのＭ１０について実験した結果、入射角θ＝４１゜で溶接できることが分かった。

ところで、図１に示したように、出射ユニット３３から出射したパルスＹＡＧレーザＬは、所定のビーム径を有しており、所定の角度（以下、集光角度と称する）を持って焦点に集光されるため、パルスＹＡＧレーザＬの外縁がどこにも干渉しないようにするためには、入射角θに集光角度を加味する必要がある。
そこで、本発明者らは、図５（Ｇ）に示すように、３タイプの中で最も大きい入射角を必要とするＭ１４タイプに対して、焦点距離ｆ＝８０ｍｍ、ビームの元径２ｃｍ、照射位置におけるビーム径０．４ｍｍのパルスＹＡＧレーザＬを照射する場合のビームの光軸の入射角θについて調べた。
その結果、ビームの集光角度θ１＝２０゜であるため、ビームの光軸の入射角θ＝４６゜＋（θ１／２）＝４６゜＋１０゜＝５６゜となった。
つまり、パルスＹＡＧレーザがどこにも干渉しないようにするためには、ビームの集光角度θ１＝２０゜の１／２の角度１０゜を加味する必要があり、Ｍ１４タイプでは、５６゜＜θ＜９０゜に設定する必要があることが分かった。

また本発明者らは、図５（Ｈ）に示すように、Ｍ１４の内燃機関用スパークプラグに対して、焦点距離ｆ＝１６０ｍｍ、ビームの元径２ｃｍ、照射位置におけるビーム径０．４ｍｍのパルスＹＡＧレーザＬを照射する場合の入射角θについて調べた。
その結果、ビームの集光角度θ２＝１０゜であるため、入射角θ＝４６゜＋（θ２／２）＝４６゜＋５゜＝５１゜となった。
つまり、上記パルスＹＡＧレーザが全く干渉しないようにするためには、ビームの集光角度θ２＝１０゜の１／２の角度５゜を加味する必要があり、Ｍ１４タイプでは、５１゜＜θ＜９０゜に設定する必要があることが分かった。

そして、上述した各実験結果より、パルスＹＡＧレーザＬを（Ｘ／Ｙ）＜ｔａｎθの条件を満足するθの入射角で照射することにより、耐火花消耗電極材１８を外側電極１６に溶接できることが分かった。また、θ≧９０゜の場合は、良好な溶接を行うことができないことが分かった。
したがって、パルスＹＡＧレーザＬの入射角θは、（Ｘ／Ｙ）＜ｔａｎθであり、かつ、θ＜９０゜を満足するθに設定することが望ましいことが分かった。
また、どのタイプにおいてもパルスＹＡＧレーザＬをどこにも干渉することなく照射するための条件は、焦点距離ｆ＝８０ｍｍのパルスＹＡＧレーザを用いる場合は、入射角θを５６゜＜θ＜９０゜の範囲に設定し、焦点距離ｆ＝１６０ｍｍのパルスＹＡＧレーザを用いる場合は、入射角θを５１゜＜θ＜９０゜の範囲に設定する必要があることが分かった。

また、本発明者らは、パルスＹＡＧレーザＬの入射角θと各寸法との関係について調べた。
その関係を示す図６（Ａ）に示すように、距離Ｙは、Ｙ＝Ａ＋Ｇ＋（０．９Ｒ−Ｅ）で表すことができる。ここで、（０．９Ｒ−Ｅ）は、火花放電ギャップＧの上端からチップ状の耐火花消耗電極材１８に至るまでの直線距離を示しており、各種タイプの内燃機関用スパークプラグについて同距離を測定した結果、経験的に求められた数式である。また、距離Ｘは、Ｘ＝Ｄ／２＋Ｒで表すことができる。
つまり、図６（Ｂ）に示すように、ｔａｎθ＝Ｘ／Ｙ＝（Ｄ／２＋Ｒ）／（Ａ＋Ｇ＋（０．９Ｒ−Ｅ）で表すことができる。

また、図７（Ｃ）に示すように、主体金具１１の交点１１ｅから、耐火花消耗電極材１４ｃの先端の両角部のうち上記交点１１ｅに近い方の角部１４ｄまでの直線距離は、（Ｄ／２−Ｃ／２）となるため、主体金具１１の交点１１ｅから上記角部１４ｄへ照射した場合の入射角θａは、ｔａｎθａ＝（Ｄ／２−Ｃ／２）／Ａを満たすθａとなる。
したがって、パルスＹＡＧレーザＬを照射するためには、入射角θ＜θａでなければならないことが分かった。

さらに、図７（Ｄ）に示すように、主体金具１１の交点１１ｅから、絶縁体１２の上端の両角部のうち上記交点１１ｅに近い方の角部１２ａまでの直線距離は、（Ｄ／２−Ｈ／２）となるため、主体金具１１の交点１１ｅから上記角部１２ａへ照射した場合の入射角θｂは、ｔａｎθｂ＝（Ｄ／２−Ｈ／２）／Ｂを満たすθｂとなる。
したがって、パルスＹＡＧレーザＬを照射するためには、入射角θ＜θｂでなければならないことが分かった。
つまり、パルスＹＡＧレーザＬを照射するためには、（Ｘ／Ｙ）＜ｔａｎθ、θ＜θａ、θ＜θｂであり、かつ、θ＜９０゜の条件を満足する必要があることが分かった。

次に本発明者らは、上述した内燃機関用スパークプラグの製造方法によって製造した内燃機関用スパークプラグにおけるチップ状の耐火花消耗電極材１８の溶接部分について調べた。
その溶接部分の拡大断面説明図である図３（Ｂ）に示すように、溶融合金部１９の断面１９ｂと、外側電極１６およびチップ状の耐火花消耗電極材１８との境界線を放物線１９ｉで近似し、その放物線１９ｉの中心軸Ｐ４と外側電極１６の取付面とのなす角度θｃを測定したところ、パルスＹＡＧレーザＬの入射角θとほぼ同一であった。そして、入射角θを（Ｘ／Ｙ）＜ｔａｎθであり、かつ、θ＜９０゜の範囲で変化させると、θｃもほぼ同じように変化した。
つまり、角度θｃは、パルスＹＡＧレーザＬの入射角θとほぼ同一であり、（Ｘ／Ｙ）＜ｔａｎθｃであり、かつ、θｃ＜９０゜の条件を満たす内燃機関用スパークプラグは、上述した本発明の製造方法によって製造されたものであることを証明できることが分かった。

以上のように、本実施形態の内燃機関用スパークプラグの製造方法を用いれば、耐火花消耗電極材と外側電極との接合強度が高い内燃機関用スパークプラグを製造することができる。
なお、上記実施形態では、外側電極１６が主体金具１１の端面１１ｂに対して垂直に溶接された場合について説明したが、図２（Ｂ）に示すように、中心電極１３側に傾いて溶接された場合などでも同様に本発明を適用することができる。
また、上記実施形態では、エネルギの集中する光線としてレーザを用いたが、電子ビームなどを用いることもできる。また、上記実施形態では、内燃機関用スパークプラグとしてＭ１０、Ｍ１２およびＭ１４の３タイプを製造する場合を説明したが、他のタイプの内燃機関用スパークプラグにも本発明を適用することができる。

本発明実施形態で行った実験に用いた装置の主要構成を示す説明図である。 図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、内燃機関用スパークプラグ１０の火花放電側の先端部を示す部分説明図であり、図２（Ｂ）は、外側電極１６が主体金具１１の端面１１ｂに対して中心電極１３側に傾いて溶接された場合の説明図である。 図３（Ａ）は、外側電極および耐火花消耗電極材の溶接部分の縦断面を拡大して示す説明図であり、図３（Ｂ）は、溶融合金部の放物線の中心軸と外側電極とが成す角度を説明する説明図である。 図４（Ａ）ないし図４（Ｃ）は、火花放電ギャップＧおよび出寸法Ａの違いによる入射角の変化を調べた実験内容を示す説明図であり、図４（Ｄ）は、外側電極の取付位置が内外にずれた場合の入射角の変化を調べた実験内容を示す説明図である。 図５（Ｅ）は、出寸法Ａ＝５ｍｍのＭ１０、Ｍ１２およびＭ１４の各タイプの入射角を調べた実験内容を示す説明図であり、図５（Ｆ）は、出寸法Ａ＝５ｍｍのＭ１０の内燃機関用スパークプラグにおける入射角を示す説明図であり、図５（Ｇ）および図５（Ｈ）は、パルスＹＡＧレーザの焦点距離の違いによる集光角度の変化を示す説明図である。 図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、パルスＹＡＧレーザＬの入射角θと各寸法との関係を示す説明図である。 図７（Ｃ）は、耐火花消耗電極材が障害にならないようにパルスＹＡＧレーザを照射するための入射角を示す説明図であり、図７（Ｄ）は、絶縁体が障害にならないようにパルスＹＡＧレーザを照射するための入射角を示す説明図である。 耐火花消耗電極材１８の外側電極１６への溶接方法を示す説明図である。 従来の内燃機関用スパークプラグの火花放電部側の構成を示す説明図である。 従来の内燃機関用スパークプラグの製造方法を示す説明図である。 従来の内燃機関用スパークプラグの製造方法を示す説明図である。 従来の問題点を示す説明図である。

符号の説明

１０ 内燃機関用スパークプラグ
１１ 主体金具
１１ｂ 端面（主体金具の端面）
１１ｄ 交点（外側電極の取付面と主体金具の端面との交点：第１交点）
１１ｅ 交点（第１交点から主体金具の中心軸と交差し、主体金具の端面の最 遠端との交点：第２交点）
１２ 絶縁体
１３ 中心電極
１６ 外側電極
１６ｂ 取付面（外側電極の中心電極側の取付面）
１８ａ 第３交点
１９ 溶融合金部
１９ｂ 断面
１９ｉ 放物線
Ｌ パルスＹＡＧレーザ
Ｐ１ 中心軸（中心電極の中心軸）
Ｐ４ 放物線の中心軸
Ｗ 回転軸
θ 入射角
θｃ 角度（中心軸Ｐ４と外側電極１６の取付面１６ｂとが成す角度）

Claims (5)

1. 軸孔が形成されており、開口した端面を有する内燃機関に取付けるための主体金具の端面に取付けられた外側電極の前記軸孔側の取付面上に突出した状態に配置された耐火花消耗電極材と前記外側電極との境界部分に、エネルギの集中する光線を前記取付面と前記主体金具の前記端面との交点（以下、第１交点という。）での前記端面に対する鉛直線に対して入射角θで照射し、前記耐火花消耗電極材および前記外側電極の混合物質よりなる溶融金属部を前記耐火花消耗電極材および前記外側電極の境界周囲に形成して、前記耐火花消耗電極材および前記外側電極を溶接するに際し、
   前記耐火花消耗電極材の中心を通るように前記主体金具の中心軸方向に切断した断面において、前記第１交点から前記主体金具の中心軸と交差し、前記主体金具の端面の最遠端との交点（以下、第２交点という。）までの距離をＸとし、前記第２交点から前記耐火花消耗電極材における前記主体金具の前記端面との最近点に向けて引いた直線を引いた場合の延長線と前記鉛直線との交点（以下、第３交点という。）と、前記第１交点との距離をＹとした場合に、
   （Ｘ／Ｙ）＜ｔａｎθであり、かつ、θ＜９０゜
   の関係を満足することを特徴とする内燃機関用スパークプラグの製造方法。
2. 前記主体金具の前記軸孔内には、前記外側電極との間に火花放電ギャップを形成する中心電極が保持された絶縁体が該主体金具の前記端面から突出するように固定されており、
   前記主体金具の端面から前記中心電極の先端までの高さをＡ、
   前記端面から突出している前記絶縁体の突出高さをＢ、
   前記中心電極の厚みをＣ、
   前記主体金具の前記端面の外径をＤ、
   前記主体金具から突出している絶縁体の前記端面の位置における幅をＨとし、
   ｔａｎθａ＝（Ｄ／２−Ｃ／２）／Ａ、
   ｔａｎθｂ＝（Ｄ／２−Ｈ／２）／Ｂとした場合において、
   θａ＞θ＜９０゜であり、かつ、θｂ＞θ＜９０゜
   の関係を満足することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用スパークプラグの製造方法。
3. 前記エネルギの集中する光線の出射位置から前記光線が照射される耐火花消耗電極材と前記外側電極との境界位置に至るまでの集光角度をθｃとした場合に入射角θの最小角度θｍは、
   ｔａｎθ＝（Ｘ／Ｙ）を満足するθにθｃ／２を加算した角度であり、かつ、θ＜９０゜の関係を満足することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関用スパークプラグの製造方法。
4. 前記溶接は、
   前記外側電極を屈曲させて前記中心電極との間で火花放電ギャップを形成する前に、前記外側電極を前記主体金具に取付け、その外側電極の前記中心電極と対向させる取付面上の耐火花消耗電極材の中心を通り、前記外側電極の取付面と直交する回転軸を中心にして回転させ、前記エネルギの集中する光線を前記入射角θで前記境界部分に照射することにより行うことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関用スパークプラグの製造方法。
5. 請求項１ないし請求項４に記載のいずれか１つの内燃機関用スパークプラグの製造方法によって製造された内燃機関用スパークプラグであって、
   前記耐火花消耗電極材および外側電極の境界部分には、その内部に前記耐火花消耗電極材および外側電極の材料からなる溶融合金部が形成されており、その溶融合金部と、前記チップ状の耐火花消耗電極材および外側電極との境界を放物線で近似した場合において、その放物線の中心軸と、前記外側電極の取付面とがなす角度θｄが、
   （Ｘ／Ｙ）＜ｔａｎθｄであり、かつ、θｄ＜９０゜
   であることを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。

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