JP2013118082A - スパークプラグ、及び、スパークプラグの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電極本体と貴金属チップとの溶接強度の低下を抑制しつつ、電気火花が溶融部に飛火する可能性を低減する技術を提供することを目的とする。
【解決手段】スパークプラグは、電極本体と貴金属チップとの間の少なくとも一部には、電極本体と貴金属チップとが溶融した溶融部が形成されている。スパークプラグは、貴金属チップの重心を通り、貴金属チップの側面と接地電極とが対向する対向方向と軸線方向に平行な断面において、１．１５Ｇ≦ｇ、かつ、（Ｔ２−Ｔ１）＜（Ｔ４−Ｔ３）の関係を満たす。
【選択図】図３

Description

本発明は、スパークプラグ、及び、スパークプラグの製造方法に関する。

従来、ガソリンエンジンなどの内燃機関の点火にはスパークプラグが用いられている。スパークプラグは、中心電極と接地電極との間で火花放電間隙を形成する。ここで、スパークプラグの長寿命化を図るために、軸線方向に延びる電極本体の先端に貴金属チップを接合した中心電極が用いられる場合がある（例えば、特許文献１〜３）。電極本体と貴金属チップとは、例えばレーザー溶接を用いて接合される。また、接地電極が中心電極の貴金属チップの側面と対向し、貴金属チップの側面と接地電極の間においてスパークプラグの径方向に放電するスパークプラグ（「横放電型プラグ」ともいう。）が知られている（例えば、特許文献１〜３）。

特許第４６１７３８８号公報 特許第４５７４７３３号公報 特許第３２７３２１５号公報

しかしながら、横放電型プラグを用いて放電を発生させた場合、電極本体と貴金属チップとの接合の際に電極本体と貴金属チップとが溶融した溶融部に電気火花が到達する可能性が高くなる。ここで、電気火花がある部位に到達することを「飛火」ともいう。電気火花が溶融部に飛火する割合（「飛火率」ともいう。）が高くなれば、溶融部が破損する可能性が高くなる。一方、電気火花が溶融部に飛火する割合を低減するために、溶融部の範囲を小さくすることが考えられる。しかしながら、溶融部の範囲を小さくすれば、接地電極と貴金属チップとの溶接強度が低下し、溶融部に大きな亀裂が生じるおそれがあった。

従って本発明は、電極本体と貴金属チップとの溶接強度の低下を抑制しつつ、電気火花が溶融部に飛火する可能性を低減する技術を提供することを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］軸線方向に延びる電極本体と、前記電極本体の先端に接合された貴金属チップとを有する中心電極と、
前記電極本体の外周に設けられた絶縁体と、
前記絶縁体の外周に設けられた主体金具と、
一端が前記主体金具の先端に取り付けられ、他端が前記貴金属チップの側面と対向する接地電極と、を備えるスパークプラグにおいて、
前記電極本体と前記貴金属チップとの間の少なくとも一部には、前記電極本体と前記貴金属チップとが溶融した溶融部が形成されており、
前記貴金属チップの重心を通り、前記貴金属チップの側面と前記接地電極とが対向する対向方向と前記軸線方向に平行な断面において、
前記溶融部の側面を形成する２つの輪郭線のうち、前記軸線に対して前記接地電極側に位置する輪郭線を第１の輪郭線とし、他方の輪郭線を第２の輪郭線とし、
前記第１の輪郭線の先端を第１溶融点とし、前記第１の輪郭線の後端を第２溶融点とし、前記第２の輪郭線の先端を第３溶融点とし、前記第２の輪郭線の後端を第４溶融点とし、
前記接地電極と前記貴金属チップとの最短距離をＧとし、
前記接地電極と前記溶融部との最短距離をｇとし、
前記軸線方向について、前記接地電極と前記第１溶融点との距離をＴ１とし、
前記軸線方向について、前記接地電極と前記第２溶融点との距離をＴ２とし、
前記軸線方向について、前記接地電極と前記第３溶融点との距離をＴ３とし、
前記軸線方向について、前記接地電極と前記第４溶融点との距離をＴ４とした場合において、
１．１５Ｇ≦ｇ、かつ、（Ｔ２−Ｔ１）＜（Ｔ４−Ｔ３）
の関係を満たすことを特徴とする、スパークプラグ。

適用例１に記載のスパークプラグによれば、１．１５Ｇ≦ｇの関係を満たすことで、溶融部への飛火率を低減できる。また、スパークプラグが、（Ｔ２−Ｔ１）＜（Ｔ４−Ｔ３）の関係を満たすことで、（Ｔ２−Ｔ１）＝（Ｔ４−Ｔ３）の関係を満たす場合に比べ、電極本体と貴金属チップとの溶接強度の低下を抑制できる。また、スパークプラグが、Ｔ２−Ｔ１）＜（Ｔ４−Ｔ３）の関係を満たすことで、貴金属チップの消耗を抑制できる。

［適用例２］適用例１に記載のスパークプラグにおいて、
さらに、（Ｔ２−Ｔ１）≦０．４ｍｍ
の関係を満たすことを特徴とする、スパークプラグ。
適用例２に記載のスパークプラグによれば、（Ｔ２−Ｔ１）≦０．４ｍｍの関係を満たすことで、貴金属チップの消耗をさらに抑制できる。

［適用例３］適用例１又は適用例２に記載のスパークプラグにおいて、
前記電極本体と前記貴金属チップとの間は全域において前記溶融部が形成されている、ことを特徴とするスパークプラグ。
適用例３に記載のスパークプラグによれば、電極本体と貴金属チップとの間全域において溶融部が形成されていることから、溶接強度の低下をさらに抑制できる。

［適用例４］適用例１乃至適用例３のいずれか一つに記載のスパークプラグの製造方法において、
接合前の前記電極本体と前記貴金属チップとを備え、前記電極本体と前記貴金属チップの平面状の端面同士を接触させたワークを準備する準備工程と、
前記ワークにビームを照射することで、前記電極本体と前記貴金属チップを接合する接合工程と、を備え、
前記接合工程は、
前記接触させることで形成される平面を含む前記電極本体と前記貴金属チップとの境界部分に対し、レーザービームと電子ビームのいずれか一方の前記ビームを照射しつつ、前記ビームと前記ワークとを前記平面に平行な一方向に沿って前記ビームを相対的に移動させる工程を含む、スパークプラグの製造方法。
適用例４に記載の製造方法によれば、ワークの境界部分に対しビームを照射しつつ、ビームとワークとを相対的に一方向に沿って移動させることで容易に適用例１乃至適用例３に記載のスパークプラグを製造できる。

［適用例５］適用例４に記載のスパークプラグの製造方法において、
前記レーザービームは、ファイバーレーザーによるビームである、ことを特徴とするスパークプラグ。
ファイバーレーザーは、光の伝播媒体が空気ではなく光ファイバーであるため、高エネルギー密度のレーザービームとなる。適用例５に記載の製造方法によれば、ファイバーレーザーによるビームを用いることで、一方向に沿ってワークに対しレーザービームを照射する場合でも、反対側の側面まで溶融部を容易に形成できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、スパークプラグ、スパークプラグの製造方法、スパークプラグを搭載する内燃機関等の態様で実現することができる。

スパークプラグ１００の一部破断断面図である。 スパークプラグ１００の接地電極３０付近の拡大図である。 スパークプラグ１００を更に説明するための図である。 中心電極２０の製造方法を示すフローチャートである。 好ましい接合方法を説明するための図である。 各サンプルに対する各評価試験の結果を示す図である。 酸化スケールの割合の算出方法を説明するための図である。 各サンプルに対する各評価試験の結果を示す図である。

次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ｂ．変形例：

Ａ．実施例：
Ａ−１．スパークプラグの構成：
図１は、本発明の実施例としてのスパークプラグ１００を示す一部破断断面図である。なお、図１では、スパークプラグ１００の軸線ＣＬに沿った方向（「軸線ＣＬ方向」ともいう。）を図面における上下方向とする。また、図１では、図面の下側をスパークプラグ１００の先端側、図面の上側をスパークプラグの後端側とする。すなわち、装着対象物であるエンジンヘッド６００に取り付けられる側が先端側、工具係合部５１を挟んで先端側とは反対側が後端側となる。なお、破断断面は、後述する中心電極２０の貴金属チップ２４（図２）の重心を通り、かつ、貴金属チップ２４の側面と接地電極３０とが対向する対向方向（紙面左右方向）と軸線ＣＬ方向に平行な面でスパークプラグ１００を切断した断面である。ここで、対向方向は、接地電極３０のうち中心電極２０と対向する平面状の先端面３４ｓ（図２）に垂直な方向であるとも言える。なお、貴金属チップ２４の重心とは、貴金属チップ２４と電極本体２２とが溶融部４１によって接合されている状態において（図２）、貴金属チップ２４の溶接前の形状における重心をいう。また、本実施例では、貴金属チップ２４の先端面２４ｓ（図２）は円形であるため、図１の破断断面は、貴金属チップ２４の円形状の先端面２４ｓの中心を通り、かつ、貴金属チップ２４の側面と接地電極３０とが対向する方向と軸線ＣＬ方向に平行な面でスパークプラグ１００を切断した断面であるとも言える。

図１に示すように、スパークプラグ１００は、絶縁碍子１０と、主体金具５０と、中心電極２０と、端子金具４０と、接地電極３０と、を備えている。

絶縁体としての絶縁碍子１０は、アルミナ等を焼成して形成される。また絶縁碍子１０は、軸線ＣＬ方向に延びる軸孔１２が形成された筒状である。絶縁碍子１０は、軸孔１２内で中心電極２０を保持することで、中心電極２０の外周に設けられている。詳細には、絶縁碍子１０は、中心電極２０の先端側が外側に露出するように、中心電極２０を軸孔１２内で保持する。絶縁碍子１０のうち、軸線ＣＬ方向の略中央には外径が最も大きな鍔部１９が形成されている。また、絶縁碍子１０のうち、鍔部１９より後端側（図１における上側）には後端側胴部１８が形成されている。また、絶縁碍子１０のうち、鍔部１９より先端側（図１における下側）には、後端側胴部１８よりも外径の小さな先端側胴部１７が形成されている。さらに、絶縁碍子１０のうち、先端側胴部１７よりも先端側には、先端側胴部１７よりも外径の小さな脚長部１３が形成されている。脚長部１３は先端側ほど縮径されている、スパークプラグ１００が内燃機関のエンジンヘッド６００に取り付けられた際には、脚長部１３は燃焼室に曝される。軸線ＣＬ方向について、脚長部１３と先端側胴部１７との間には段部１５が形成されている。

主体金具５０は、低炭素鋼材により形成された円筒状の金具である。主体金具５０は、スパークプラグ１００を内燃機関のエンジンヘッド６００に固定する。主体金具５０は、絶縁碍子１０の外周に設けられ、絶縁碍子１０を保持している。詳細には、絶縁碍子１０は、後端側胴部１８の一部から脚長部１３に亘る部分を主体金具５０によって取り囲まれている。

主体金具５０は、工具係合部５１と、取付ねじ部５２とを備えている。工具係合部５１は、スパークプラグレンチ（図示せず）が嵌合する部位である。主体金具５０の取付ねじ部５２は、ねじ山が形成された部位であり、内燃機関の上部に設けられたエンジンヘッド６００の取付ねじ孔６０１に螺合する。

主体金具５０の工具係合部５１と取付ねじ部５２との間には、鍔状のシール部５４が形成されている。取付ねじ部５２とシール部５４との間には、板体を折り曲げて形成した環状のガスケット５が嵌挿されている。ガスケット５は、スパークプラグ１００をエンジンヘッド６００に取り付けた際に押し潰されて変形する。このガスケット５の変形により、スパークプラグ１００とエンジンヘッド６００間が封止され、取付ねじ孔６０１を介したエンジン内の気密漏れが防止される。

主体金具５０の工具係合部５１より後端側には、加締部５３が設けられている。主体金具５０の工具係合部５１から加締部５３にかけての内周面と、絶縁碍子１０の後端側胴部１８の外周面との間には、円環状のリング部材６，７が介在されている。さらに両リング部材６，７間にタルク（滑石）９の粉末が充填されている。加締部５３を内側に折り曲げるようにして加締めると、絶縁碍子１０は、リング部材６，７およびタルク９を介して主体金具５０内の先端側に向け押圧される。これにより、絶縁碍子１０の段部１５は、主体金具５０の内周に形成された段部５６に支持され、主体金具５０と絶縁碍子１０とは、一体となる。このとき、主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性は、絶縁碍子１０の段部１５と主体金具５０の段部５６との間に介在された環状の板パッキン８によって保持され、燃焼ガスの流出が防止される。

中心電極２０は、軸線ＣＬ方向に延びる棒状の部材である。中心電極２０の先端側部分は、絶縁碍子１０から外側に突出している。中心電極２０は、軸孔１２内を後端側に向けて延設され、シール体４およびセラミック抵抗３を経由して、端子金具４０に電気的に接続されている。端子金具４０には、高圧ケーブル（図示せず）がプラグキャップ（図示せず）を介して接続され、高電圧が印加される。なお、中心電極２０の詳細構成は後述する。

接地電極３０は、一端が主体金具５０の先端５７に取り付けられ、他端が中心電極２０の側面（詳細には後述する中心電極側貴金属チップ２４の側面）と対向する。接地電極３０は、一端と他端との間の部分において屈曲している。なお、接地電極３０の詳細構成は後述する。

図２は、スパークプラグ１００の接地電極３０付近の拡大図である。中心電極２０は、電極本体２２と貴金属チップ２４とを備える。電極本体２２は、軸線ＣＬ方向に延びる棒状（詳細には、略円柱状）の部材である。電極本体２２は、電極母材２２Ｂと、電極母材２２Ｂの内部に配置された芯材２２Ａとを備える。電極母材２２Ｂは、インコネル（商標名）６００又はインコネル（商標名）６０１等のニッケル又はニッケルを主成分とする合金から形成されている。芯材２２Ａは、電極母材２２Ｂよりも熱伝導性に優れる銅または銅を主成分とする合金から形成されている。

貴金属チップ２４は、電極本体２２の平面状である先端に接合されている。すなわち、電極本体２２と貴金属チップ２４との間には、電極本体２２と貴金属チップ２４とが溶融した溶融部４１が形成されている。電極本体２２と貴金属チップ２４とは、レーザービーム溶接又は電子ビーム溶接により接合される。貴金属チップ２４は、軸線ＣＬ方向に延びる略円柱形状である。本実施例では、貴金属チップ２４の先端面２４ｓは円形である。貴金属チップ２４は、耐火花消耗性を向上させるために、高融点の貴金属により形成することが好ましい。貴金属チップ２４は、例えば、白金（Ｐｔ）や白金を主成分とした合金、イリジウム（Ｉｒ）や、イリジウムを主成分とした合金によって形成される。本実施例では、貴金属チップ２４は、イリジウムを主成分とした合金によって形成されている。詳細には、貴金属チップ２４は、Ｉｒ−１１Ｒｕ−８Ｒｈ−１Ｎｉ（１１質量％のルテニウムと８質量％のロジウムと１質量％のニッケルを含有したイリジウム合金）を用いて形成されている。なお、本実施例では、中心電極２０の貴金属チップ２４を「中心電極側貴金属チップ２４」ともいう。また、本実施例では、中心電極２０の電極本体２２を「中心電極側電極本体２２」ともいう。

接地電極３０は、電極本体３２と貴金属チップ３４とを備える。電極本体３２は、電極母材３２Ｂと、電極母材３２Ｂの内部に配置された芯材３２Ａとを備える。電極母材３２Ｂは、インコネル（商標名）６００又はインコネル（商標名）６０１等のニッケル又はニッケルを主成分とする合金から形成されている。芯材３２Ａは、電極母材３２Ｂよりも熱伝導性に優れる銅または銅を主成分とする合金から形成されている。電極本体３２は、直方体形状の部材の一部を屈曲させた略Ｌ字形状である。

貴金属チップ３４は、直方体形状である。貴金属チップ３４は、電極本体３２の先端側（他端側）に接合されている。詳細には、貴金属チップ３４は、電極本体３２に対し一部が埋め込まれるようにして接合されている。貴金属チップ３４と電極本体３２とは、抵抗溶接により接合されている。電極本体３２に接合された貴金属チップ３４は、貴金属チップ２４の側面と対向している。貴金属チップ２４の側面と貴金属チップの先端面３４ｓとの間には、火花ギャップが形成される。貴金属チップ３４は、例えば、白金（Ｐｔ）や白金を主成分とした合金、イリジウム（Ｉｒ）や、イリジウムを主成分とした合金によって形成される。本実施例では、貴金属チップ３４は、白金を主成分とした合金によって形成されている。詳細には、貴金属チップ３４は、Ｐｔ−１０Ｎｉ（１０質量％のニッケルを含有した白金合金）によって形成されている。なお、本実施例では、接地電極３０の貴金属チップ３４を「接地電極側貴金属チップ３４」ともいう。また、本実施例では、接地電極３０の電極本体３２を「接地電極側電極本体３２」ともいう。

図３は、スパークプラグ１００を更に説明するための図である。図３は、接地電極３０の先端側及び中心電極２０の先端側近傍の断面図である。図３に示す断面は、図１の破断断面と同様に、貴金属チップ２４の重心を通り、かつ、貴金属チップ２４の側面と接地電極３０とが対向する対向方向（紙面左右方向）と軸線ＣＬ方向に平行な面でスパークプラグ１００を切断した断面（「第１の断面」ともいう。）である。なお、各部材（例えば貴金属チップ３４）のハッチングは省略している。

スパークプラグ１００の第１の断面において、以下のように定義する。溶融部４１の２つの側面を形成する輪郭線のうち、軸線ＣＬに対して接地電極３０側に位置する輪郭線を第１の輪郭線４１ｔとし、他方の輪郭線を第２の輪郭線４１ｗとする。溶融部４１のうち、第１の輪郭線４１ｔの先端を第１溶融点Ａとする。溶融部４１のうち、第１の輪郭線４１ｔの後端を第２溶融点Ｂとする。溶融部４１のうち、第２の輪郭線４１ｗの先端を第３溶融点Ｃとする。溶融部４１のうち、第２の輪郭線４１ｗの後端を第４溶融点Ｄとする。接地電極３０と貴金属チップ２４との最短距離（火花ギャップ）をＧ（ｍｍ）とする。接地電極３０と溶融部４１との最短距離をｇ（ｍｍ）とする。軸線ＣＬ方向について、接地電極３０と第１溶融点Ａとの距離をＴ１（ｍｍ）とする。軸線ＣＬ方向について、接地電極３０と第２溶融点Ｂとの距離をＴ２（ｍｍ）とする。軸線ＣＬ方向について、接地電極３０と第３溶融点Ｃとの距離をＴ３（ｍｍ）とする。軸線ＣＬ方向について、接地電極３０と第４溶融点Ｄとの距離をＴ４（ｍｍ）とする。ここで、「Ｔ２−Ｔ１」の値を「接地電極側ビート幅」ともいう。また、「Ｔ４−Ｔ３」の値を「反対側ビート幅」ともいう。

本実施例のスパークプラグ１００は、１．１５Ｇ≦ｇ、かつ、（Ｔ２−Ｔ１）＜（Ｔ４−Ｔ３）の関係を満たすことが好ましい。また、本実施例のスパークプラグ１００は、Ｔ２−Ｔ１）≦０．４ｍｍの関係を満たすことがさらに好ましい。これらの理由については後述する。さらに、本実施例のスパークプラグ１００は、電極本体２２と貴金属チップ２４との間は全域において溶融部４１が形成されていることがさらに好ましい。こうすることで、全域において溶融部４１が形成されていない場合に比べ、電極本体２２と貴金属チップ２４との溶接強度の低下を抑制できる。後述する各サンプル（サンプルＮｏ．１ａ〜Ｎｏ．１０ａ，Ｎｏ．１ｂ〜Ｎｏ．１０ｂ）は、電極本体２２と貴金属チップ２４との間は全域において溶融部４１が形成されている。なお、電極本体２２と貴金属チップ２４との間は、少なくとも一部において溶融部４１が形成されていても良い。このようにしても、スパークプラグ１００が、１．１５Ｇ≦ｇ、かつ、（Ｔ２−Ｔ１）＜（Ｔ４−Ｔ３）の関係を満たすことで後述する効果を奏する。

Ａ−２．中心電極の製造方法：
図４は、中心電極２０の製造方法を示すフローチャートである。図４に示すように、まず、接合前の電極本体２２と貴金属チップ２４とを備えるワークを準備する（ステップＳ１０）。ワークは、電極本体２２の平面状の端面と貴金属チップ２４の平面状の端面とが接触している。次いで、ワークのうち、電極本体２２と貴金属チップ２４の端面同士の接触により形成された平面を含む境界部分にビームを照射して、両者２２，２４を接合する（ステップＳ２０）。これにより、中心電極２０が製造できる。製造した中心電極２０は、絶縁碍子１０の軸孔１２内に挿入されて固定される。両者２２，２４の接合にはレーザービームや電子ビームを用いることができる。

図５は、電極本体２２と貴金属チップ２４との好ましい接合方法を説明するための図である。図５（Ａ）〜（Ｃ）は、第１の接合方法を説明するための図である。図５（Ｄ）〜（Ｆ）は、第２の接合方法を説明するための図である。図５（Ｃ）は図５（Ｂ）を先端面２４ｓ側から見た図である。また、図５（Ｆ）は図５（Ｅ）を先端面２４ｓ側から見た図である。また、図５（Ａ），（Ｄ）は、接合前のワーク９０を示す図である。

図５（Ａ）に示すように、貴金属チップ２４と電極本体２２の平面状の端面同士を接触させて、ビームを照射する対象物であるワーク９０を準備する。そして、ビーム発生装置７００からビームＢｅを電極本体２２と貴金属チップ２４とを接触させて形成された平面９５を含む境界部分９８に照射する。境界部分９８は、ワーク９０のうち平面９５及び平面９５近傍の部分である。

図５（Ｂ）に示すように、第１の接合方法では、ビームＢｅのワーク９０への入射方向が軸線ＣＬ方向に垂直となる。また、図５（Ｃ）に示すように、ビームＢｅをワーク９０に照射しつつ、ビームＢｅをワーク９０に対して直線である一方向Ｙｒに沿って移動させて溶融部４１を形成する。すなわち、ビーム発生装置７００を一方向Ｙｒに沿って移動させつつ、境界部分９８を含むワーク９０の側面にビームＢｅを照射する。一方向Ｙｒは、平面９５に平行な方向である。

図５（Ｄ）〜（Ｆ）に示す第２の接合方法は、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示す第１の接合方法とほぼ同様の接合方法である。第２の接合方法は、ビームＢｅがワーク９０側面に照射される照射角度が第１の接合方法と異なる。第２の接合方法は、軸線ＣＬ方向について、ビームＢｅがワーク９０の先端側から後端側へと進行するように、ビームＢｅの入射方向を軸線ＣＬ方向と垂直な方向から所定角度傾ける。これにより、接地電極３０と溶融部４１の第１の輪郭線４１ｔ（図３）との距離をより大きくできる。よって、１．１５Ｇ≦ｇの関係を満たすスパークプラグ１００をより容易に形成することができる。

第１の接合方法や第２の接合方法において、溶融部４１の接地電極側ビート幅（Ｔ２−Ｔ１）や反対側ビート幅（Ｔ４−Ｔ３）は、ビームＢｅのワーク９０に対する相対的な移動速度によって可変できる。例えば、相対的な移動速度が遅くなる程、ビート幅は大きくなる。

第１の接合方法及び第２の接合方法では、ビームＢｅをワーク９０に対して一方向Ｙｒに移動させていたが、これに限定されるものではない。例えば、ビームＢｅの位置を固定する一方で、ワーク９０を一方向Ｙｒに沿って移動させつつ、境界部分９８を含むワーク９０の側面にビームＢｅを照射しても良い。また、ビームＢｅ及びワーク９０を共に一方向に沿って相対的に移動させつつ、境界部分９８を含むワーク９０の側面にビームＢｅを照射しても良い。上記のようにビームＢｅとワーク９０とを一方向Ｙｒに沿って相対的に移動させる単純な制御によって、（Ｔ２−Ｔ１）＜（Ｔ４−Ｔ３）の関係を満たすスパークプラグ１００を容易に形成できる。

なお、ビームＢｅは、レーザービーム、電子ビームのいずれであっても良い。特に、光ファイバーを光の伝播媒体に用いたレーザービーム（ファイバーレーザー）を用いて電極本体２２と貴金属チップ２４とを接合することが好ましい。ファイバーレーザーは、一般に他のレーザー（例えば、共振器中における光の伝播媒体に空気を用いたレーザー）に比べ高エネルギー密度のレーザーである。よって、ワーク９０の一側面からレーザービームを照射する場合でも、照射側の溶融部４１の長さ（Ｔ４−Ｔ３）が大きくなることをある程度抑制しつつ、反対側の側面まで溶融部４１を容易に形成できる。

また、溶融部４１は、電極本体２２と貴金属チップ２４との間の全域において形成されていることが好ましい。すなわち、貴金属チップ２４のうち電極本体２２と接触する端面（「接触端面」ともいう）全域が溶融部４１となることが好ましい。こうすることで、接触端面のうち一部が溶融部４１となる場合に比べ、溶接強度の低下をさらに抑制できる。

Ａ−３．実験結果：
図６は、各サンプル（サンプルＮｏ．１ａ〜Ｎｏ．１０ａ）に対する各評価試験の結果を示す図である。サンプルＮｏ．１ａ〜Ｎｏ．Ｎｏ．１０ａは、接地電極３０と貴金属チップ２４との最短距離であるＧが０．５ｍｍと一定で、接地電極３０と中心電極２０との位置関係（例えば、「ｇ」や「Ｔ１」）等がそれぞれ異なる。サンプルＮｏ．１ａ〜Ｎｏ．１０ａは、接地電極３０や中心電極２０を構成する材料や形状、その他の部材（例えば、絶縁碍子１０）の構成は同一である。なお、中心電極側貴金属チップ２４の接合前の形状は、直径が約０．６ｍｍ、軸線ＣＬ方向の長さが約１．３ｍｍである。

サンプルＮｏ．１ａ〜１０ａについて、ぞれぞれ、飛火試験、冷熱試験、電極消耗試験、着火性試験を行った。各試験の詳細は以下の通りである。

［飛火試験］
飛火試験は、溶融部４１への飛火率を測定するための試験である。飛火試験は、加圧チャンバー（チャンバー内圧力が０．４Ｍｐａ、大気雰囲気）に各サンプルを取り付け、周波数１００Ｈｚで放電を繰り返すことで行なった。各サンプルについて、１００回の放電を観察し、１００回のうち溶融部４１に飛火した割合を飛火率（％）とした。放電の観察は、高速度カメラで撮影することで行なった。なお、中心電極２０を負極、接地電極３０を正極として放電を行った。飛火率（％）の判定は、以下のように決定した。
・判定「◎」：飛火率（％）＝０％
・判定「○」：０％＜飛火率（％）≦２０％
・判定「×」：２０％＜飛火率（％）≦１００％

［冷熱試験］
冷熱試験は、貴金属チップ２４と電極本体２２との溶接強度を評価するための試験である。詳細には、冷熱試験後の各サンプルの酸化スケールの割合を算出することで、溶接強度を評価した。冷熱試験の概要は以下の通りである。すなわち、バーナーにより溶融部４１を含む中心電極２０の先端部を２分間加熱することで先端部の温度を９００℃まで上昇させ、その後１分間放置（冷却）した。このサイクルを１０００サイクル繰り返すことで冷熱試験を実施した。冷熱試験後に、各サンプルの酸化スケールの割合を算出した。

図７は、酸化スケールの割合の算出方法を説明するための図である。まず、冷熱試験後の各サンプルを所定の平面で切断する。所定の平面とは、貴金属チップ２４の先端面２４ｓの中心を通り軸線方向に平行な面である。すなわち、各サンプルを半割にする。切断面において、溶融部４１と各部材２２，２４の境界で発生した酸化スケールの径方向（紙面左右方向）の長さＴｖを求める。なお、複数の酸化スケールが発生している場合は、最も長い酸化スケールの長さＴｖを求める。そして、貴金属チップ２４の直径Ｒｖに対する長さＴｖの割合（％）を酸化スケール比率とした。酸化スケール比率（％）の判定は、以下のように決定した。
・判定「◎」：酸化スケール比率（％）＝０％
・判定「○」：０％＜酸化スケール比率（％）≦５０％
・判定「×」：５０％＜酸化スケール比率（％）≦１００％

［電極消耗試験］
電極消耗試験は、中心電極２０の耐久性を評価するための試験である。電極消耗試験は、加圧チャンバー（チャンバー内圧力が１．２Ｍｐａ、大気雰囲気）に各サンプルを取り付け、周波数１２０Ｈｚで２００時間放電を繰り返すことで行なった。電極消耗試験後の各サンプルの火花ギャップＧ（ｍｍ）の試験前との差（ギャップ増加量）を算出することで、耐久性を評価した。電極消耗試験における耐久性の評価は、以下のように決定した。
・判定「◎」：ギャップ増加量（ｍｍ）≦０．２ｍｍ
・判定「○」：０．２ｍｍ＜ギャップ増加量（ｍｍ）≦０．３ｍｍ
・判定「×」：ギャップ増加量（ｍｍ）＞０．３ｍｍ

［着火性試験］
着火性能試験は、各サンプルの着火性能を評価するための試験である。着火性能試験は、チャンバーにサンプルを装着し、チャンバー内にプロパンガスを導入してサンプルを用いて着火した際の火炎の大きさを測定することで行なった。詳細は以下の手順で行なった。まず、着火した際の火花ギャップＧの中心及びその近傍について、高速度カメラを用いてシュリーレン画像を撮影した。得られた画像を所定の閾値で二値化することで二値化画像を取得し、二値化画像から高密度の部分（火炎核）の面積を測定した。一方、判定基準の比較サンプルについても、同様の条件で着火させ、シュリーレン画像を撮影した。比較サンプルには、接地電極の先端部が中心電極の先端面と対向し、スパークプラグの軸線方向を放電方向とするスパークプラグ「縦放電型プラグ」ともいう。）を用いた。また、比較サンプルは、接地電極は貴金属チップを備えていない。その他の構成（中心電極２０の構成や主体金具５０の構成）は各サンプルと同一である。各サンプルと比較サンプルの二値化画像を比較することで、着火性を判定した。詳細には、着火性の評価は以下のように決定した。
・判定「◎」：火炎核の大きさが比較サンプルよりも大きい
・判定「○」：火炎核の大きさが比較サンプルと同程度
・判定「×」：火炎核の大きさが比較サンプルよりも小さい

また、各サンプルの総合判定は以下のように行なった。
・判定「◎」：
各試験のうち、電極消耗試験の判定が「◎」、かつ、他の試験の判定に「×」が無かった場合。
・判定「○」：
各試験のうち、電極消耗試験の判定が「○」、かつ、他の試験の判定に「×」が無かった場合。
・判定「×」：各試験のうち、１つ以上に判定「×」があった場合。

図８は、他の各サンプル（サンプルＮｏ．１ｂ〜１０ｂ）に対する各評価試験の結果を示す図である。サンプルＮｏ．１ｂ〜Ｎｏ．１０ｂは、接地電極３０と貴金属チップ２４との最短距離であるＧが０．７ｍｍと一定で、接地電極３０と中心電極２０との位置関係（例えば、「ｇ」や「Ｔ１」）等がそれぞれ異なる。サンプルＮｏ．１ｂ〜Ｎｏ．１０ｂは、接地電極３０や中心電極２０を構成する材料や形状、その他の部材（例えば、絶縁碍子１０）の構成は同一である。なお、中心電極側貴金属チップ２４の接合前の形状は、直径が約０．６ｍｍ、軸線ＣＬ方向の長さが約１．３ｍｍである。

サンプルＮｏ．１ｂ〜Ｎｏ．１０ｂについても、サンプルＮｏ．１ａ〜Ｎｏ．１０ａと同様の評価試験を行った。

図６及び図８に示すように、サンプルＮｏ．４ａ〜Ｎｏ．１０ａ、サンプルＮｏ．４ｂ〜Ｎｏ．１０ｂは良好な結果を示した。すなわち、１．１５Ｇ≦ｇ、かつ、（Ｔ２−Ｔ１）＜（Ｔ４−Ｔ３）の関係を満たすサンプル（サンプルＮｏ．４ａ〜Ｎｏ．１０ａ、サンプルＮｏ．４ｂ〜Ｎｏ．１０ｂ）は、総合判定が「○」又は「◎」となり良好な結果を示した。すなわち、サンプルＮｏ．４ａ〜Ｎｏ．１０ａ，サンプルＮｏ．４ｂ〜Ｎｏ．１０ｂは、１．１５Ｇ≦ｇの関係を満たすことで、飛火率を低減できた。また、サンプルＮｏ．４ａ〜Ｎｏ．１０ａ，サンプルＮｏ．４ｂ〜Ｎｏ．１０ｂは、（Ｔ２−Ｔ１）＜（Ｔ４−Ｔ３）の関係を満たすことで、酸化スケール比率を低減できた。すなわち、サンプルＮｏ．４ａ〜Ｎｏ．１０ａ，サンプルＮｏ．４ｂ〜Ｎｏ．１０ｂは、（Ｔ２−Ｔ１）＜（Ｔ４−Ｔ３）の関係を満たすことで、電極本体２２と貴金属チップ２４との溶接強度の低下を抑制できた。

また、（Ｔ２−Ｔ１）＜（Ｔ４−Ｔ３）の関係を満たすサンプルは（サンプルＮｏ．４ａ〜Ｎｏ．１０ａ，サンプルＮｏ．４ｂ〜Ｎｏ．１０ｂ）、電極消耗を抑制できた。これは、一般に溶融部４１は熱引きが他の部分（貴金属チップ２４や電極本体２２）よりも悪い。よって、スパークプラグが（Ｔ２−Ｔ１）＜（Ｔ４−Ｔ３）の関係を満たすことで、（Ｔ２−Ｔ１）＝（Ｔ４−Ｔ３）の関係を満たす場合に比べ、放電が生じた際の中心電極２０の温度上昇を低減でき、貴金属チップ２４の消耗を抑制できる為であると考えられる。例えば、（Ｔ４−Ｔ３）が同一値であるサンプルＮｏ．３ａとサンプルＮｏ．７ａ等を比較することで電極消耗を抑制できることが確認できる。

また、１．１５Ｇ≦ｇ、かつ、（Ｔ２−Ｔ１）＜（Ｔ４−Ｔ３）の関係を満たすサンプル（サンプルＮｏ．４ａ〜Ｎｏ．１０ａ，サンプルＮｏ．５ｂ〜Ｎｏ．１０ｂ）は、着火性の判定で「○」以上の結果が得られた。

また、（Ｔ２−Ｔ１）＜（Ｔ４−Ｔ３）、かつ、（Ｔ２−Ｔ１）≦０．４ｍｍの関係を満たすサンプル（サンプルＮｏ．４ａ〜Ｎｏ．７ａ，Ｎｏ．９ａ，Ｎｏ．１０ａ，サンプルＮｏ．５ｂ〜Ｎｏ．７ｂ，Ｎｏ．１０ｂ）は、総合判定が「◎」となり非常に良好な結果を示した。また、（Ｔ２−Ｔ１）＜（Ｔ４−Ｔ３）、かつ、（Ｔ２−Ｔ１）≦０．４ｍｍの関係を満たすサンプルは、電極消耗試験の判定が「◎」であった。すなわち、スパークプラグが（Ｔ２−Ｔ１）＜（Ｔ４−Ｔ３）、かつ、（Ｔ２−Ｔ１）≦０．４ｍｍの関係を満たすことで、貴金属チップ２４の消耗をより低減でき、耐久性がより向上できた。これは、スパークプラグが（Ｔ２−Ｔ１）＜（Ｔ４−Ｔ３）、かつ、（Ｔ２−Ｔ１）≦０．４ｍｍの関係を満たすことで、放電が生じた際の中心電極２０の熱引きをより促進でき、中心電極２０の温度上昇をさらに抑制できるためであると考えられる。

上記のように、スパークプラグ１００は、１．１５Ｇ≦ｇ、かつ、（Ｔ２−Ｔ１）＜（Ｔ４−Ｔ３）の関係を満たすことで、電気火花の溶融部４１への飛火率を低減できると共に、貴金属チップ２４と電極本体２２との溶接強度の低下を抑制できる。すなわち、飛火率を低減するために貴金属チップ２４の長さを長くすることなく、飛火率を低減できると共に溶接強度の低下を抑制できる。よって、スパークプラグ１００の製造コストが高くなることを抑制できる。

Ｂ．変形例：
なお、上記実施例における構成要素の中の、特許請求の範囲の独立項に記載した要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明の上記実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｂ−１．第１変形例：
上記実施例では、貴金属チップ２４と電極本体２２との接合は、ビームＢｅをワーク９０に対して一方向Ｙｒに沿って移動させることで行なったが（図５）、これに限定されるものではない。例えば、境界部分９８を周方向に亘って相対的にビームＢｅをワーク９０に対して移動させて溶融部４１を形成しても良い。

３…セラミック抵抗
４…シール体
５…ガスケット
６…リング部材
８…板パッキン
９…タルク
１０…絶縁碍子
１２…軸孔
１３…脚長部
１５…段部
１７…先端側胴部
１８…後端側胴部
１９…鍔部
２０…中心電極
２２…電極本体
２２Ａ…芯材
２２Ｂ…電極母材
２４…貴金属チップ
２４ｓ…先端面
３０…接地電極
３２…電極本体
３２Ａ…芯材
３２Ｂ…電極母材
３４…貴金属チップ
３４ｓ…先端面
４０…端子金具
４１…溶融部
４１ｔ…第１の輪郭線
４１ｗ…第２の輪郭線
９０…ワーク
９５…平面
９８…境界部分
１００…スパークプラグ
５０５…開口周縁部
６００…エンジンヘッド
６０１…取付ねじ孔
７００…ビーム発生装置
Ａ…第１溶融点
Ｂ…第２溶融点
Ｃ…第３溶融点
Ｄ…第４溶融点
ＣＬ…軸線
Ｂｅ…ビーム
Ｙｒ…一方向

Claims (5)

1. 軸線方向に延びる電極本体と、前記電極本体の先端に接合された貴金属チップとを有する中心電極と、
   前記電極本体の外周に設けられた絶縁体と、
   前記絶縁体の外周に設けられた主体金具と、
   一端が前記主体金具の先端に取り付けられ、他端が前記貴金属チップの側面と対向する接地電極と、を備えるスパークプラグにおいて、
   前記電極本体と前記貴金属チップとの間の少なくとも一部には、前記電極本体と前記貴金属チップとが溶融した溶融部が形成されており、
   前記貴金属チップの重心を通り、前記貴金属チップの側面と前記接地電極とが対向する対向方向と前記軸線方向に平行な断面において、
   前記溶融部の側面を形成する２つの輪郭線のうち、前記軸線に対して前記接地電極側に位置する輪郭線を第１の輪郭線とし、他方の輪郭線を第２の輪郭線とし、
   前記第１の輪郭線の先端を第１溶融点とし、前記第１の輪郭線の後端を第２溶融点とし、前記第２の輪郭線の先端を第３溶融点とし、前記第２の輪郭線の後端を第４溶融点とし、
   前記接地電極と前記貴金属チップとの最短距離をＧとし、
   前記接地電極と前記溶融部との最短距離をｇとし、
   前記軸線方向について、前記接地電極と前記第１溶融点との距離をＴ１とし、
   前記軸線方向について、前記接地電極と前記第２溶融点との距離をＴ２とし、
   前記軸線方向について、前記接地電極と前記第３溶融点との距離をＴ３とし、
   前記軸線方向について、前記接地電極と前記第４溶融点との距離をＴ４とした場合において、
   １．１５Ｇ≦ｇ、かつ、（Ｔ２−Ｔ１）＜（Ｔ４−Ｔ３）
   の関係を満たすことを特徴とする、スパークプラグ。
2. 請求項１に記載のスパークプラグにおいて、
   さらに、（Ｔ２−Ｔ１）≦０．４ｍｍ
   の関係を満たすことを特徴とする、スパークプラグ。
3. 請求項１又は請求項２に記載のスパークプラグにおいて、
   前記電極本体と前記貴金属チップとの間は全域において前記溶融部が形成されている、ことを特徴とするスパークプラグ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のスパークプラグの製造方法において、
   接合前の前記電極本体と前記貴金属チップとを備え、前記電極本体と前記貴金属チップの平面状の端面同士を接触させたワークを準備する準備工程と、
   前記ワークにビームを照射することで、前記電極本体と前記貴金属チップを接合する接合工程と、を備え、
   前記接合工程は、
   前記接触させることで形成される平面を含む前記電極本体と前記貴金属チップとの境界部分に対し、レーザービームと電子ビームのいずれか一方の前記ビームを照射しつつ、前記ビームと前記ワークとを前記平面に平行な一方向に沿って前記ビームを相対的に移動させる工程を含む、スパークプラグの製造方法。
5. 請求項４に記載のスパークプラグの製造方法において、
   前記レーザービームは、ファイバーレーザーによるビームである、ことを特徴とするスパークプラグ。

Images