JP2010500722A - リフローされた点火チップを有する点火装置および構成方法 - Google Patents

Abstract

スパークプラグは、点火チップを含む接地および／または中心電極を有し、点火チップはワイヤの一端をリフローすることによって形成され、このワイヤの一端の反対側の端部は送り機構によって保持される。本発明はまた、点火装置の製造方法および上記のように点火チップを有する電極の製造方法を含み、この方法は、点火チップ領域を有する金属電極を与えるステップと、自由端と送り機構によって保持される別の端部とを有するワイヤを与えるステップと、自由端をリフローして点火チップを形成するステップとを含む。

Description

発明の背景
１．技術分野
本発明は、概してスパークプラグおよび他の点火装置に関し、より具体的には、内燃機関で使用される、スパークプラグ上の点火チップを備えた電極および他の点火装置、ならびにその構成方法に関する。

２．関連技術
スパークプラグの分野では、耐浸食性を改善するとともに、スパークプラグの中心および接地電極での火花電圧、または、多電極設計の場合は接地電極での火花電圧を減じることが、かねてより引続き必要とされている。貴金属電極を用いた、または、より一般的には標準的な金属電極に設けられた貴金属の点火チップを用いた、さまざまな設計が提案されている。典型的に、点火チップは、パッドまたはリベットとして形成された後、電極の端部上に溶接される。

プラチナおよびイリジウム合金は、こうした点火チップに対して最もよく使用される貴金属のうちの２つである。例として、７０−９０重量％のプラチナおよび３０−１０重量％のイリジウムから作られた中心電極点火チップを開示する、近藤（Kondo）他への米国特許第４，５４０，９１０号を参照されたい。この特許には、プラチナ−タングステン合金もこうした点火チップに使用されていると記載されている。このようなプラチナ−タングステン合金は、プラチナ−ロジウム合金およびプラチナ−イリジウム−タングステン合金を用いた点火チップの構成をさらに開示する、チャン（Chang）他への米国特許第６，０４５，４２４号にも開示されている。

これらの基本的な貴金属合金の他に、上記金属と、さまざまな量の異なる希土類金属酸化物とを組合せたものを利用した酸化物分散強化合金も提案されている。例としてヘイウッド（heywood）他への米国特許第４，０８１，７１０号を参照されたい。この点に関しては、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）を利用した特定のプラチナおよびイリジウム系合金がいくつか提案されている。特に、ムーア（Moore）他への米国特許第５，４５６，６２４号は、＜２％の酸化イットリウムを含むプラチナ合金から作られた点火チップを開示している。加藤（Katoh）他への米国特許第５，９９０，６０２号は、０．０１％と２％の間の酸化イットリウムを含むプラチナ−イリジウム合金を開示している。大島（Oshima)への米国特許第５，４６１，２７５号は、５％と１５％の間の酸化イットリウムを含むイリジウム合金を開示している。歴史的には、少量（たとえば＜２％）の酸化イットリウムを含めることにより、結果として得られる合金の強度および／または安定性を改善してきたが、この大島特許は、イリジウムとともに体積で＞５％の酸化イットリウムを用いることにより、火花電圧を減じることが可能であると開示している。

さらに、リコースキ（Lykowski）他への米国特許第６，４１２，４６５号Ｂ１に開示されているように、酸化イットリウムをタングステンおよびプラチナの合金に取入れることにより、大島特許に開示されたものよりもはるかに低い割合の酸化イットリウムで、浸食の減少および火花電圧の低下が可能であることが判明している。このリコースキ特許は、接地および中心電極双方を有する点火装置を開示しており、これら電極のうち少なくとも一方は、プラチナ、タングステンおよび酸化イットリウムを含む合金から形成された点火チップを含む。好ましくは、この合金は重量で９１．７％−９７．９９％のプラチナ、２％−８％のタングステンおよび０．０１％−０．３％のイットリウムの組合せから形成さ
れ、より好ましい構成では、９５．６８％−９６．１２％のプラチナ、３．８％−４．２％のタングステンおよび０．０８％−０．１２％のイットリウムの組合せから形成される。点火チップは、パッド、リベット、ボールまたはそれ以外の形状とすることができ、電極上の適当な場所に溶接することができる。

上記のおよびさまざまな他の貴金属システムは、一般的には良好なスパークプラグ性能をもたらすが、貴金属点火チップを電極に装着するのに使用される方法、特にさまざまな溶接の形態に関連する周知で固有の性能上の制限がいくつかある。特に、スパークプラグの動作環境における繰返し熱応力は、たとえば点火チップに使用される上記貴金属および貴金属合金と電極に使用されるＮｉ、Ｎｉ合金および他の周知の金属との間の熱膨張係数の不整合が原因であり、溶接の不具合に繋がり最終的にはスパークプラグそのものの不具合に繋がり得る、亀裂発生、熱疲労およびさまざまな他の相互作用現象を引起すことがわかっている。

発明の概要
点火装置の電極を製造する方法は、１つの金属材料から構成された電極本体を与えるステップと、自由端を有し、電極本体の金属材料とは異なる別の金属材料から形成された、細長いワイヤを与えるステップと、高エネルギ放出装置を与えるステップとを含む。さらに、ワイヤの自由端を、高エネルギ放出装置から放出される高エネルギの焦点ゾーンの中に送り、電極本体の表面上に、自由端から、ワイヤ材料の溶融プールを形成する。次に、溶融プールを冷却して電極上に凝固した火花チップを形成する。

本発明の別の局面は、内燃機関の点火装置の製造方法を含む。この方法は、ハウジングを与えるステップと、ハウジング内に碍子を固定するステップとを含み、碍子の一端はハウジングの開口部を通して露出している。さらに、中心電極を碍子内に装着する。中心電極の自由端は碍子を超えて延在する。接地電極をハウジングから延在させ、接地電極の一部は中心電極の自由端に対向する位置にあり接地電極と中心電極との間に火花ギャップを定める。加えて、自由端を有する金属の細長いワイヤを与え、高エネルギ放出装置を与える。次に、高エネルギ放出装置を用いて、細長いワイヤの自由端を溶融させ、中心電極または接地電極のうち少なくとも選択された一方上に金属の溶融プールを形成する一方で、ワイヤの自由端を選択された電極に向けて送る。さらに、溶融プールを冷却して選択された電極上に凝固した点火チップを形成する。

本発明の別の局面は、点火装置の電極を含む。この電極は、１つの金属材料から構成された本体と、この本体上に形成された点火チップとを有する。点火チップは、その少なくとも一部が上記本体とは異なる材料から形成され、本体から延在する遷移勾配を定める。この遷移勾配は、本体に隣接する金属材料の全体的に均質な混合物を含み、均質な混合物は、本体を形成する材料と、点火チップの少なくとも一部を形成する異なる材料とを含む。

本発明の他の局面は、内燃機関の点火装置を含む。この点火装置は、開口部を有するハウジングを含み、碍子がハウジング内で固定され、碍子の一端はこの開口部を通して露出している。中心電極が碍子内に装着され、中心電極は碍子を超えて延在する自由端を有する。接地電極はハウジングから延在し、中心電極の自由端に対向する位置にある部分を有し接地電極と中心電極との間に火花ギャップを定める。前記中心電極または接地電極のうち少なくとも選択された一方は点火チップを有し、点火チップは、その少なくとも一部が選択された電極とは異なる材料から形成される。遷移勾配が、選択された電極から延在し
、本体を形成する材料と点火チップの少なくとも一部を形成する異なる材料との全体的に均質な混合物を含む。

本発明の上記および他の特徴および利点は、現時点で好ましい実施例およびベストモードに関する以下の詳細な説明、ならびに添付の図面と関連付けて考慮されると、より容易に理解されるようになるであろう。同様の構成要素には同様の参照番号が付されている。

本発明の現時点で好ましい実施例に従い構成されたスパークプラグの一部の部分断面図である。 図１のスパークプラグの領域２の第１の実施例の断面図である。 図１のスパークプラグの領域２の第２の実施例の断面図である。 図１のスパークプラグの領域２の第３の実施例の断面図である。 図１のスパークプラグの領域２の第４の実施例の断面図である。 本発明の現時点で好ましい別の実施例に従い構成されたスパークプラグの断面図である。 図３のスパークプラグの領域４の断面図である。 図３のスパークプラグの領域４の領域５の一実施例の断面図である。 図３のスパークプラグの領域４の領域５の第２の実施例の断面図である。 図３のスパークプラグの領域４の領域５の第３の実施例の断面図である。 図３のスパークプラグの領域４の領域５の第４の実施例の断面図である。 本発明の現時点で好ましい実施例に従うスパークプラグの構成方法の概略図である。 本発明の一局面に従う、図６の方法の概略部分図であり、電極の表面上に形成されている点火チップを示す。 本発明の別の局面に従う、図６の方法の概略部分図であり、電極の窪み内に少なくとも一部が形成されている点火チップを示す。 本発明の他の局面に従う、図６の方法の概略部分図であり、電極上に形成されている点火チップを示す。 本発明の現時点で好ましい一実施例に従う中心電極の構成方法によるワイヤ送り機構の概略図である。 本発明の現時点で好ましい一実施例に従う接地電極の構成方法によるワイヤ送り機構の概略図である。

好ましい実施例の詳細な説明
図１を参照して、本発明の現時点で好ましいある製造方法に従い構成されたスパークプラグ１０の機能端が示されている。スパークプラグ１０は、金属ケースまたはハウジング１２と、ハウジング１２内で固定された碍子１４と、中心電極１６と、接地電極１８と、中心電極１６および接地電極１８それぞれの上にあり対向する１対の点火チップ２０、２２とを含む。ハウジング１２は、従来のやり方で金属シェルとして構成することができ、標準的なねじ山２４および環状の下端２６を含むことができ、この下端にたとえば溶接または接着された接地電極１８が、この下端に／下端から延在する。同様に、スパークプラグ１０の他のすべての構成要素（図示されていないものを含む）は、本発明に従い点火チップ２０および／または点火チップ２２とともに構成される中心電極１６および／または接地電極１８を除き、周知の技術および材料を用いて構成することができる。

周知のように、ハウジング１２の環状の端部２６は開口部２８を定め、この開口部を通して好ましくは碍子１４が延在する。中心電極１６は一般的に、ガラスシールによってまたは他の適切な技術を用いて、碍子１４内で装着される。中心電極１６は適切な形状のも
のでよいが、通常は、ほぼ円筒形で、点火チップ２０と反対側の端部における直径が増大した部分に向かって弓形をなすまたは先細りになることによってこの端部を碍子１４内で設置および封止し易くする。中心電極１６は一般的に、碍子１４の外に、露出した軸方向の端部３０を通って延在する。中心電極１６は一般的に、スパークプラグ製造の分野では周知の、たとえばさまざまなＮｉおよびＮｉ系合金といった適切な導体から構成され、ＣｕまたはＣｕ系合金コアを覆うこのような材料も含んでいてもよい。

接地電極１８は、従来のアーチ型で９０°の肘の形状で断面形状がほぼ矩形のものが示されているが、これは例示であり限定ではない。接地電極１８は、一方端３２で、ハウジング１２との電気通信のためにハウジング１２に装着され、好ましくは中心電極１６にほぼ対向する自由端３４で終端をなす。点火部または点火端部は、接地電極１８の自由端３４に隣接して定められ、これは、中心電極１６の対応する点火端部とともに、接地電極および中心電極間に火花ギャップ３６を定める。しかしながら、接地電極１８が多数の形状および大きさを有し得ることを、当業者は容易に理解するであろう。たとえば、図３に示されるように、ハウジング１２が中心電極１６をほぼ取囲むように延在する場合、接地電極１８は、ハウジング１２の下端２６からほぼ直線状に、中心電極１６とほぼ平行に延在することにより、火花ギャップ３６を定めてもよい（図５Ａ−図５Ｄ）。火花ギャップ３６が数多くの異なる配置および方向を有するよう、点火チップ２０が中心電極１６の端部または側壁上に位置してもよく、点火チップ２２が図示される位置にまたは接地電極１８の自由端３４上に位置していてもよいことも、理解されるであろう。

点火チップ２０、２２は各々、電極１６、１８それぞれの点火端部に位置し、それぞれ火花面２１、２３を与え、電子が火花ギャップ３６を通して放出および受容されるようにする。点火チップ２０、２２の点火チップ面２１、２３（図２Ａ−図２Ｄ）を上から見たときの、点火チップ面２１、２３は、矩形、正方形、三角形、円形、楕円形、（正もしくは非正）多角形または他の適切な幾何学的形状を含む、適切な形状にすればよい。これら点火端部は断面で示されているが、その目的は、本発明のこの実施例では点火チップ２０、２２が金属を含み、この金属の少なくとも一部は、電極金属と異なり、たとえば貴金属であり、本発明に従い点火チップ上の適切な場所にリフローされることを示すためである。

図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、点火チップ２０、２２は、本発明に従い、電極１６、１８それぞれのほぼ平坦な面３７、３８上にリフローすることができる。これに代えて、図２Ｃおよび図２Ｄに示されるように、点火チップ２０、２２は、本発明に従い、電極１６、１８それぞれの面の一方または双方に設けられたそれぞれの窪み４０、４２内にリフローすることができる。中心電極１６および接地電極１８の、表面リフローおよび窪みリフローの任意の組合せが可能である。したがって、チップ２０、２２の一方または双方の全体または一部を、関連する電極上で窪ませることができる、または、窪ませずに電極の外表面にリフローさせることができる。点火チップ２０、２２のリフロー前に電極１６、１８に形成された窪み４０、４２は、矩形、正方形、三角形、円形、または半円形、楕円形、または半楕円形、（正もしくは非正）多角形、（規則的ももしくは不規則な）アーチ型、または他の適切な幾何学的形状を含む、適切な断面形状にすればよい。窪み４０、４２は側壁４３、４５を定め、側壁は、点火チップ面２１、２３に対して直交してもよく、または内側または外側いずれかに向かって斜めに延びてもよい。さらに、側壁の形状は、線形または曲線をなす形状でもよい。したがって、窪み４０、４２は、たとえば箱型、円錐台型（frustoconical）、ピラミッド型、半球型、および半楕円型を含む適切な立体形状のものでよい。

点火チップ２０、２２は、形状および表面積が同一のものでよい、または形状および表面積が異なるものでもよい。たとえば、スパークプラグ１０の火花伝達性能に悪影響を及
ぼさずに、使用中の電極１６、１８の、ある程度の量の軸方向の不整合を吸収するためには、点火チップ２０よりも大きな表面積を有するように点火チップ２２を作ることが望ましいであろう。本発明の点火チップを電極１６、１８のうち一方のみに適用することは可能であるが、点火チップ２０、２２を電極１６、１８双方に適用してスパークプラグ１０の全体的性能、特に点火端部における耐浸食性および耐腐食性を改善することが知られている点に注目すべきである。本明細書では、特に明記しない限り、点火チップ２０、２２について述べる場合は、点火チップ２０、２２のうち一方または双方について述べている可能性があることが理解されるであろう。

図３−図５に示されるように、本発明に従うリフローされた電極１６、１８は、他の点火装置電極構成も利用し得る。図３を参照して、図１および図２Ａ−図２Ｄに関して先に述べたのと同様の構成の多電極スパークプラグ１０が示されており、スパークプラグ１０は、点火チップ２０を有する中心電極１６と、点火チップ２２を有する複数の接地電極１８とを含む。点火チップ２０、２２は各々、電極１６、１８それぞれの点火端部に位置しており、火花ギャップ３６を通した電子の放出および受容のための点火面２１、２３を提供する。点火端部は軸方向の断面が示されているが、その目的は、点火チップが、この実施例では、点火チップ上の適所にリフローされた金属材料を含むことを示すためである。点火チップ２０、２２は、図５Ａおよび図５Ｂに示されるように電極２０、２２それぞれの外側表面３７、３８上に形成されてもよい、または、図５Ｃおよび図５Ｄに示されるように窪み４０、４２内に形成されてもよい。この窪みの外観および断面形状は、上記のように変化させてもよい。

本発明に従い、点火チップ２０、２２は各々、好ましくは、その少なくとも一部が、プラチナ、イリジウム、パラジウム、ロジウム、オスミウム、金および銀からなる群に含まれる少なくとも１つの貴金属から形成され、これら貴金属のうち２つ以上の組合せを含んでもよい（たとえばＰｔ−Ｉｒ合金のすべての様式）。点火チップ２０、２２は、合金化構成要素として、タングステン、イットリウム、ランタン、ルテニウムおよびジルコニウムからなる群に含まれる１つ以上の金属を含んでもよい。さらに、本発明は、スパークプラグおよび他の点火装置用途のための点火チップとして使用される周知のすべての貴金属合金とともに用いるのに適していると考えられ、これら貴金属合金には、その全体を本明細書に引用により援用する、譲受人が共通の、リコースキ他への米国特許第６，４１２，４６５号に記載された合金組成、および、その全体を本明細書に引用により援用する、米国特許第６，３０４，０２２号（いくつかの層状合金構造について記載）および米国特許第６，３４６，７６６号（いくつかの貴金属チップおよび関連する応力緩和層の使用について記載）に記載されたものが、含まれる。加えて、たとえばＮｉまたはＮｉ系合金といった電極１６、１８の構成に使用される金属材料を、点火チップ２０、２２それぞれの形成の際に合金化構成要素として用いることにより、図２Ｂ、図２Ｄ、図５Ｂおよび図５Ｄに示されるように、電極材料から点火チップ材料への滑らかで均質な遷移勾配界面領域４６が容易に形成されるようにしてもよい。この滑らかな遷移勾配界面領域４６により、内部熱応力が減少し、したがって、亀裂伝播開始の可能性が減少する。その結果、点火装置の耐用年数を延ばすことができる。

図６−図１１を参照して、点火チップ２０、２２は、レーザまたは電子ビームなどの、高い強度またはエネルギ密度のエネルギ源５４からの印加により、電極１６、１８の点火端部上の点火チップ２０、２２の所望の場所で、そのうち１つ以上が好ましくは貴金属およびその合金である所望の金属からなる、１本の連続するワイヤ４８（図７−図９）または複数のワイヤ４８、５０、５２（図１０−図１１）の端部４７を、リフローまたは溶融することによって、作られる。エネルギ源５４からの局所的な印加は、エネルギ源５４の印加領域に溶融プール５６を生成するのに十分な、ワイヤの１つまたは複数の端部４７の溶融には十分である。たとえば図２Ｂ、図２Ｄ、図５Ｂおよび図５Ｄにおいて見られるよ
うな界面の形状については、点火チップと電極の界面領域４６は、電極１６、１８および点火チップ２０、２２の活性部分の材料の異なる化学的性質間の、全体的に均質な遷移勾配を含み得る。これは、電極１６、１８が動作環境において受ける熱サイクルに応じて亀裂伝播および初期故障が発生する傾向を減じると考えられる。

図６に示されるように、本発明はまた、点火装置の点火チップを有する金属電極の製造方法１００を含む。この方法の、形成するステップ１１０では、点火端部および点火チップ部を有する金属電極１６、１８の少なくとも一部が形成される。別のステップ１２０は、連続するワイヤ形状を有する選択された点火チップ材料を与え、このワイヤの端部４７を電極１６、１８の点火チップ部の上に位置決めすることを含む。さらに、別のステップ１３０は、連続する金属ワイヤの一端をリフローすることにより溶融プール５６を形成することを含み、これは、次に冷却ステップ１４０において点火チップ２０、２２を形成する。この方法１００は、リフローステップ１３０の前に、金属電極１６、１８に窪み４０、４２を形成して点火チップ２０、２２の少なくとも一部が窪みの中に形成されるようにする、任意のステップ１４０を含んでもよい。この方法はまた、冷却ステップ１５０の次に、点火チップ２０、２２を仕上げ成形する任意のステップ１５０を含んでもよい。さらに、リフローステップ１３０を必要に応じて繰返し、点火チップ２０、２２に対し材料の追加の層を加えるか、異なる材料からなる複数の層を有する点火チップ２０、２２を形成してもよい。

金属電極１６、１８の少なくとも一部を形成するステップ１１０は、中心および／または接地電極双方の製造のための従来の方法を用いて行なってもよい。上記のように、電極１６、１８は、たとえばＮｉおよびＮｉ系合金といった従来のスパークプラグ電極材料から製造することができる。中心電極１６は、図３に示されるようにほぼ円筒形になるよう形成されることが多く、さまざまな、直径を減じた円筒形または矩形のチップ形状を含め、さまざまな点火チップ構成を有することができる。接地電極１８は、一般的に、真っ直ぐな棒状、Ｌ字型の肘形状、および他の形状を有するように構成され、典型的には横方向の断面形状が矩形であるが、適切な幾何学的形状を用いることができる。

電極１６、１８に窪み４０、４２を形成するステップ１４０は、スタンピング、絞り加工、機械加工、穿孔、研磨、エッチングおよび他の周知の材料形成または除去方法といった、適切な方法によって行なわれ、それぞれの窪み４０、４２を作るようにすればよい。窪み４０、４２は、本明細書に記載の、箱型、円錐台型、ピラミッド型および他の形状を含む、適切な大きさおよび形状を有するようにすればよい。

連続するワイヤ４８、５０、５２として選択された点火チップ材料を与えるステップ１２０は、自由端部分４７とワイヤ送り機構５８（図１０−図１１）によって保持される別の端部とを有する、１つ以上の選択された点火チップ材料を与えることを含む。必要に応じてワイヤ送り機構５８の数を変更し、所望の数の金属ワイヤを所望の送り速度で与えることができることが、理解されるはずである。ワイヤ送り機構５８は、本明細書では概略的に１つまたは複数のスプールとして示され、このスプールは、スプールで保持された１本または複数のワイヤ４８、５０、５２を選択された送り速度で進めるまたは送るようにされているが、これは例示であり限定ではない。ワイヤ送り機構５８は、細長い、好ましくはたとえば直径約１００μｍ−１ｍｍといったマイクロサイズのワイヤを保持することができる装置とすることができ、好ましくは、送りステップ１７０中にワイヤをたとえば約１００−２００ｍｍ／分といった選択された送り速度で送ることができる。したがって、１つのワイヤ送り機構５８を用いて、第１の種類の貴金属ワイヤ材料を搬送しある送り速度で点火チップ領域２０、２２に送り込み、別の送り機構５８を用いて、異なる貴金属ワイヤ材料といった異なる第２のワイヤ材料および／またはたとえば電極材料とほぼ同じ金属ワイヤ材料を搬送し、第１のワイヤと同一または異なる送り速度で、第１のワイヤと
同時に点火チップ領域に送り込むことができる。よって、所望の点火チップ特性に応じ、ワイヤ送り機構の数、ワイヤ材料の数および種類、ならびにそれぞれのワイヤ送り速度を、選択的に制御できる。ワイヤ送り機構５８において保持されるワイヤ材料の種類を変えることに加え、ワイヤ４８、５０、５２の断面形状を、直径の相違、および／またはたとえば円形、楕円形または平坦といった形状の相違を有するなど、互いに異なるようにすることができることが、理解されるはずである。したがって、溶融される点火チップ材料の種類を制御できるだけでなく、選択された点火チップ材料の量も制御できる。したがって、点火チップ２０、２２それぞれの、結果として得られる合金化含有量を、ワイヤ材料の所望の種類およびパラメータを選択し、かつ異なるワイヤに対し適切な送り速度を選択することにより、厳密に制御して、所望の点火チップの化学的性質を得ることができる。処理中に選択されたワイヤに対するいずれか１つの送り速度を継続して変更することにより、求められる最終的な点火チップの化学的性質をさらに得ることができることが、理解されるはずである。上記の変数を注意深く選択および変更できれば、通常は組み合わせるのが難しい２つ以上の異種の準安定材料を、段階的遷移勾配を通して、互いに散在させることにより、使用時に効率的で長寿命の特性を有する点火チップを製造することができる。

位置決めステップ１２０で、選択されたワイヤの１つまたは複数の端部４７が、電極１６、１８の点火端部に対し、所望の場所に置かれると、この方法１００は続いてステップ１３０で、ワイヤ４８、５０、５２それぞれの端部４７をリフローして点火チップ２０、２２を形成する。リフローは、貴金属合金を用いて点火チップを作る以前の方法、特に、さまざまな形態の溶接および／または機械的装着機器を用いる方法とは、異なる。この以前の方法では、貴金属キャップが、電極に、溶接熱の影響を受ける区域（すなわちキャップと電極の間の界面領域）で生じる非常に局所的な溶融によって装着されるが、キャップすべてまたは実質的にすべてが溶融される訳ではない。この違いにより、得られる点火チップの構造上の多数の相違、または、得られる点火チップの構造および性能に影響する多数の相違が生まれる。ある重要な相違点は、得られる点火チップの形状である。溶接によって形成される関連技術の点火チップは、電極に溶接されるキャップの全体的な形状を維持する傾向がある。本発明では、金属ワイヤそれぞれの１つまたは複数の端部４７を溶融することにより、金属ワイヤ材料の液体の流れをもたらし、これが流れ、凝固するときに、点火チップ２０、２２の所望の形状を生み出す。加えて、溶融プール５６における表面張力効果を、電極１６、１８の点火端部の設計とともに用いて、関連技術の装置では得るのが不可能または非常に難しい任意の数の形状を作り出すことができる。たとえば、もし電極１６、１８が電極内にアンダーカットされた窪みを取入れるならば、本発明に従い製造される流動金属ワイヤ材料を用い、過去は可能ではなかった形状を作ることができる。

リフローステップ１３０は図７−図９に概略的に示される。エネルギ入力５４は、移動ステップ１８０で、電極１６、１８に対して移動させればよい。エネルギ入力５４は、所望のエネルギ密度、所望のビームパターンおよび他の要素に応じ、好ましくは焦点を合わせて印加されるが、焦点を外して印加される可能性もある、連続またはパルス出力を有する適切なレーザの、スキャンされるビーム６４または静止ビーム６６として、印加されてもよい。連続する１本または複数のワイヤの端部を溶融するのに必要なエネルギ出力を有するレーザは、溶融されるワイヤ端部４７に近い電極面を溶融するのに十分なエネルギも有しているため、マスク、または、点火チップ領域を中心としてノズルによって同軸で与えることができる、たとえばアルゴン、窒素またはヘリウムといったガスシールドなどのシールドを利用することが望ましいであろう。または、金属マスク６０を点火チップ領域を中心として配置することができる。金属マスク６０は、好ましくは、点火チップ領域に近接する電極１６、１８の部分のレーザエネルギを反射するようにされた研磨面６２を有することにより、点火チップ領域における連続ワイヤ４８、５０、５２の端部４７に、場合によっては、もしそのような溶融が望まれるならば、点火チップ２０、２２に近接する電極１６、１８の部分に、溶融をほぼ限定する。

図７では、スキャンされるビーム６４を用いて連続金属ワイヤ４８の１つ以上の端部４７をリフローすることによりそれぞれの点火チップ２０、２２を形成する。図８は、図７と同様であるが、点火チップ２０、２２が電極１６、１８それぞれの窪み４０、４２に形成される点が異なる。図９も図７と同様であるが、連続ワイヤ４８の端部を溶融するのに使用されるビームがスキャンされるビームではなく静止ビームである点が異なる。このビームは静止しているが、電極２０、２２および／またはマスク６０を、移動ステップ１８０中に、静止ビームの下で回転させてもよいことが理解されるはずである。

たとえば、約１２ｍｍ×０．５ｍｍの焦点面での分布面積を有するビームを備えたレーザ、ならびにＣＯ２およびダイオードレーザを含め、本発明に従い多種の産業用レーザが利用できると予想されるが、小スポットネオジム：ＹＡＧレーザによって提供されるような、焦点面で単一ポイント形状を有するものが好ましい。加えて、レーザ５４のビームが、電極１６、１８の表面および／または溶融されているワイヤ表面に対し、実質的に垂直に入射することが、一般的には好ましい。ビームサイズとの比較における金属ワイヤの直径および／または形状、金属ワイヤ４８、５０、５２の所望の加熱速度、熱伝導率および反射率といった他の要素、ならびに、上記のようにワイヤの加熱および／または溶融特性に影響を与える他の要素に応じ、レーザ５４を、電極１６、１８およびワイヤ４８、５０、５２に対して静止状態で保持してもよく、または、移動ステップ１８０中に、電極１６、１８の表面にわたり、ワイヤ４８、５０、５２の長さに沿い、所望の加熱／リフロー結果を生むようなパターンで、スキャンしてもよい。加えて、電極１６、１８を、移動ステップ１８０において、レーザビームに対して回転および／または垂直方向に移動させてもよい。レーザ５４および電極１６、１８が、垂直方向において互いに離れるように相対的に移動することにより、溶融プール５６がより急速に凝固し、そのため、点火チップ２０、２２の製造に必要な時間が短縮されるので、製造効率が高まると、考えられている。レーザビームのスキャンの代わりにまたはスキャンに加え、電極１６、１８を、レーザ５４のビームに対してスキャンすることで、所望の相対移動が行なわれるようにしてもよい。移動ステップ１８０における上記の相対移動のいずれも、線形の摺動、回転テーブル、多軸ロボット、またはビーム操縦光学部品によって実現できるが、これは例示であり、限定ではない。加えて、ワイヤ端部４７をリフローするとともに電極１６、１８の望ましくない加熱を制限するよう制御される限り、金属ワイヤ端部４７を急速に加熱するための他の適切な機構、たとえばさまざまな高強度、近赤外線ヒータを、用いてもよい。

リフローステップ１３０と組合せて、フィードバックシステムを含むモニタステップ１９０を取入れて、点火チップ２０、２２の形成を向上させることができる。このフィードバックシステムは、例示として挙げられたものであり限定を目的とするものではないが、溶融プール５６をモニタするための視覚システムおよび制御ループを含むことができる。制御ループは、たとえば温度などのモニタされている溶融プール特性を、レーザ５４、ワイヤ送り機構５８、または電極１６、１８とレーザ５４の相対的な移動を制御する機構のいずれかなどの、点火チップの形成に少なくとも一部関わりのあるパラメータのうち１つ以上に、戻すように伝えることにより、連続的に実時間で調整することができる。したがって、こうしたパラメータのうちいずれか１つを実時間で調整し、点火チップ２０、２２を最適に形成することができる。たとえば、レーザ強度を増大または減少させ、ワイヤ送り速度を増大または減少させ、および／またはレーザに対する電極の相対的なスキャンおよび／または垂直移動の速度を増大または減少させることができる。

リフローされた金属点火チップ２０、２２の仕上げ成形のステップ１６０は、スタンピング、鍛造または他の周知の金属成形方法などの適切な成形方法、ならびに、機械加工、研削、研磨および他の金属除去／仕上げ方法を利用すればよい。

要望に応じてリフローステップ１３０を繰返すことにより点火チップ２０、２２に材料を追加してもよい。追加された材料の層は、同一の組成を有し、または、異なる組成を有し、点火チップの熱膨張係数（ＣＴＥ）が厚みを通して変化するようにしてもよい。電極に近接する点火チップ層のＣＴＥは一般的に電極と同様であり、電極から距離をおかれた点火チップ層のＣＴＥは、点火チップ２０、２２の点火表面２１、２３で所望されるものである。

このように、本発明に従い、本明細書で特定した目的および利点を達成する点火装置およびその製造方法が提供されていることは明らかであろう。当然ながら、上記の記載は本発明の好ましい実施例に関するものであること、および、本発明は示され記載された特定の実施例に限定されないことが、理解されるだろう。したがって、さまざまな変更および変形が、当業者には直ちに明らかになるであろう。このような変更および変形はすべて、本発明の範囲に含まれることが意図される。本発明は以下の請求項によって規定される。

Claims (50)

1. 点火装置の電極の製造方法であって、
   点火チップ領域を有する電極本体を与えるステップと、
   自由端と、送り機構によって保持される反対側の端部とを有するワイヤを与えるステップと、
   高エネルギ放出装置を与えるステップと、
   前記ワイヤの自由端を前記送り機構を介して前記送りチップ領域内に送るステップと、
   前記自由端をリフローし、前記点火チップ領域に溶融プールを形成するステップと、
   前記溶融プールを冷却して凝固した点火チップを形成するステップとを含む、点火装置の電極の製造方法。
2. 自由端と、前記送り機構によって保持される反対側の端部とを有する複数のワイヤを与え、前記自由端を同時に前記点火チップ領域内に送るステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 互いに異なる材料から形成された前記複数のワイヤを与えるステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記電極本体と同一の材料から形成された前記複数のワイヤのうち少なくとも１本を与えるステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記複数のワイヤのうち少なくとも１本の自由端を、他の自由端と異なる速度で、前記点火チップ領域内に送るステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
6. 前記自由端各々を、互いに異なる速度で、前記点火チップ領域内に送るステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
7. 他のワイヤと異なる断面形状を有する前記ワイヤのうち少なくとも１本を与えるステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
8. 前記ワイヤを別々の送り機構で保持するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
9. 前記リフローするステップの間、前記ワイヤのうち少なくとも１本の送り速度を変化させるステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
10. 前記リフローするステップの間、前記自由端を前記点火チップ領域内に送る速度を変化させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記リフローするステップの間、前記電極本体および前記高エネルギ放出装置を、相対的に移動させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記リフローするステップの間、前記電極本体および前記高エネルギ放出装置を、互いに離れるように移動させるステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記ワイヤを貴金属として与えるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記電極本体に窪みを形成し、前記窪み内に前記溶融プールを形成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
15. 前記リフローするステップの間、前記ワイヤを前記点火チップ領域に向けて送るステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
16. 前記リフローするステップの間、前記ワイヤを前記点火チップ領域に向けて送る速度を変化させるステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記リフローするステップの間、前記高エネルギ放出装置を前記電極本体に対して移動させるステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
18. 前記リフローするステップの間、前記高エネルギ放出装置を前記電極本体から離れるように移動させるステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記リフローするステップの間、前記高エネルギ放出装置からのエネルギ出力の強度を変化させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
20. 前記リフローするステップの間、前記溶融プールの特性をモニタ装置を用いてモニタするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
21. 前記モニタ装置からの情報を、前記高エネルギ放出装置または前記送り機構のうち少なくとも一方に伝えるステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記リフローするステップの間、前記情報に応じて、前記高エネルギ放出装置から放出されているエネルギの強度または前記送り機構から前記ワイヤを送る速度のうち少なくとも一方を変化させるステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
23. 前記高エネルギ放出装置としてレーザを使用するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
24. 内燃機関の点火装置の製造方法であって、
    ハウジングを与えるステップと、
    碍子を前記ハウジング内で固定するステップとを含み、前記碍子の端部は前記ハウジングの開口を通して露出し、
    中心電極を前記碍子内に装着するステップを含み、前記中心電極の点火チップ領域は前記碍子を越えて延在し、
    接地電極を前記ハウジングから延在させるステップを含み、前記接地電極の点火チップ領域は、前記中心電極の点火チップ領域と対向して位置して前記接地電極および前記中心電極間に火花ギャップを定め、
    自由端と、送り機構によって保持される反対側の端部とを有するワイヤを与えるステップと、
    高エネルギ放出装置を与えるステップと、
    前記ワイヤの自由端を前記送り機構を介して前記点火チップ領域のうち少なくとも１つの中に送るステップと、
    前記ワイヤの自由端を前記高エネルギ放出装置を用いてリフローして、前記中心電極または前記接地電極の前記点火チップ領域のうち選択された少なくとも１つに溶融プールを形成するステップと、
    前記溶融プールを冷却して凝固した点火チップを形成するステップとを含む、内燃機関の点火装置の製造方法。
25. 自由端と、前記送り機構によって保持される反対側の端部とを有する複数のワイヤを与
    え、前記自由端を前記点火チップ領域内に送るステップをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
26. 前記ワイヤを別々の送り機構で保持するステップをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
27. 互いに異なる材料から形成された前記複数のワイヤを与えるステップをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
28. 前記電極と異なる材料から形成された前記ワイヤを与えるステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
29. 前記電極のうち少なくとも１つと同一の材料から形成された前記ワイヤのうち１本を与えるステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
30. イリジウム、プラチナ、パラジウム、ロジウム、金、銀およびオスミウム、ならびにその合金からなる群に含まれる貴金属として、前記ワイヤを与えるステップをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
31. タングステン、イットリウム、ランタン、ルテニウムおよびジルコニウムからなる群に含まれる貴金属の合金を作るステップをさらに含む、請求項３０に記載の方法。
32. 前記リフローするステップの間、前記自由端を前記点火チップ領域内に送る速度を変化させるステップをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
33. 前記リフローするステップの間、前記ワイヤのうち少なくとも１本の自由端を、他のワイヤと異なる速度で、前記点火チップ領域内に送るステップをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
34. 前記リフローするステップの間、前記自由端のうち少なくとも１つを前記点火チップ領域に向けて送る速度を変化させるステップをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
35. 前記リフローするステップの間、前記点火装置および前記高エネルギ放出装置を相対的に移動させるステップをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
36. 前記リフローするステップの間、前記点火装置および前記高エネルギ放出装置を互いに離れるように移動させるステップをさらに含む、請求項３５に記載の方法。
37. 前記リフローするステップの間、前記点火装置および前記高エネルギ放出装置を互いに離れるように移動させるステップをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
38. 前記中心電極または前記接地電極の前記点火チップ領域のうち前記選択された１つに窪みを形成し、前記溶融プールを前記窪み内に形成するステップをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
39. 前記リフローするステップの間、前記溶融プールの選択された特性をモニタ装置を用いてモニタするステップをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
40. 前記モニタ装置からの信号を、前記高エネルギ放出装置または前記送り機構のうち少なくとも一方に伝えるステップをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
41. 前記リフローするステップの間、前記信号に応答して、前記高エネルギ放出装置から放出されているエネルギの強度、または前記送り機構から前記ワイヤを送る速度のうち少なくとも一方を変化させるステップをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
42. 他のワイヤと異なる断面形状を有する前記ワイヤのうち少なくとも１本を与えるステップをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
43. 内燃機関の点火装置であって、
    開口を有するハウジングと、
    前記ハウジング内で固定された碍子とを含み、前記碍子の端部は前記ハウジングの開口を通して露出し、
    前記碍子内に装着され、前記碍子を越えて延在する自由端を有する中心電極と、
    前記ハウジングから延在する接地電極とを含み、前記接地電極の一部は、前記中心電極の自由端と対向して位置して前記接地電極および前記中心電極間に火花ギャップを定め、
    前記中心電極または接地電極のうち選択された少なくとも１つは点火チップを有し、前記点火チップは、前記選択された電極とは異なる材料から少なくとも一部が形成され、前記選択された電極から延在する遷移勾配を定め、前記遷移勾配は、前記選択された電極の材料と前記選択された電極に隣接する前記異なる材料との全体的に均質な混合物を含む、点火装置。
44. 前記遷移勾配に含まれる、前記選択された電極から離れるように延在する、前記選択された電極の材料の方が、量が少ない、請求項４３に記載の点火装置。
45. 前記異なる材料は貴金属を含む、請求項４３に記載の点火装置。
46. 前記選択された電極の材料はニッケルを含む、請求項４５に記載の点火装置。
47. 点火装置の電極であって、
    １つの金属材料から構成された本体と、
    前記本体に形成された点火チップとを含み、前記点火チップは少なくとも一部が前記１つの金属材料とは異なる材料から形成され、前記本体から延在する遷移勾配を定め、前記遷移勾配は、前記１つの金属材料および前記本体に隣接する前記異なる材料の全体的に均質な混合物を含む、点火装置の電極。
48. 前記遷移勾配に含まれる、前記本体から離れるように延在する、前記１つの金属材料の方が、量が少ない、請求項４７に記載の電極。
49. 前記異なる材料は貴金属を含む、請求項４７に記載の電極。
50. 前記１つの金属材料はニッケルを含む、請求項４９に記載の電極。

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