JP2014519169A - 点火プラグのための電極、ならびにこれを製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は点火コイルのための電極に関するものであり、電極基本材料（４）と、貴金属部材（５；５０）とを含んでおり、貴金属部材（５；５０）は溶接結合部（６；６０）によって電極基本材料（４）に取り付けられており、溶接結合部は、貴金属部材が取り付けられている電極の面（２０）に対して垂直方向に最大の長さ（Ｔ）を有しており、溶接結合部はこの面（２０）における最大の幅（Ｂ）を有しており、最大の幅（Ｂ）に対する最大の長さ（Ｔ）の比率は３よりも大きいか、またはこれに等しい。
【選択図】 図３

Description

本発明は、点火プラグのための電極、ならびにこれを製造する方法に関するものであり、電極基本材料の上での貴金属部材の卓越した長期耐久性が提供される。

特許文献１より、貴金属小板が電極の基本材料にレーザ溶接によって溶着された、点火プラグのための電極が公知である。この場合、基本電極と貴金属小板の相互に溶かし合わされた材料からなる、貴金属小板の５０容積％を上回る広い溶融区域が生じる。そのため、多量の高価な貴金属を電極の製造に使用することが必要である。しかしながら、このことは電極の高い製造コストにつながる。

ドイツ特許出願公開第１０２０５０７８Ａ１

それに対して、請求項１の構成要件を備える本発明の電極は、電極のための貴金属の量を有意に減らすことができるという利点を有している。本発明によると、３よりも大きい、またはこれに等しい、電極表面における溶接結合部の最大の幅Ｂに対する、電極の表面に対して垂直方向における溶接結合部の最大深さＴの比率を有する、貴金属部材と電極基本材料との間の溶接結合部が生成される（Ｔ／Ｂ≧３）。貴金属部材と電極基本材料との溶接のときにこのような比率を守ることで、溶接継目が大きくなりすぎず、貴金属部材の多すぎる材料が溶接結合部の溶融区域で消費されないことが保証される。それにより、小さい貴金属部材の使用にもかかわらず十分な貴金属を電極で提供する、点火プラグのための電極を製造することができる。それによって電極の長期耐久性を有意に改善することができる。

従属請求項は、本発明の好ましい発展例を示している。

貴金属材料の５０容積％またはこれ以下が、溶接継目で電極基本材料と溶かし合わされるのが好ましい。それにより、溶接継目が過度に厚くならず、点火プラグの長期の耐久性のために十分な貴金属材料が存在することが保証される。

溶接前の貴金属部材の容積は０．０１５から０．２ｍｍ^３の範囲内、好ましくは０．０７５から０．１５ｍｍ^３の間、さらに好ましくはほぼ０．１ｍｍ^３であるのが特別に好ましい。

本発明による電極の特別に良好な長期耐久性が実現されるのは、貴金属部材がボールである場合である。ボールは０．３から０．７５ｍｍ、好ましくは０．４から０．６ｍｍ、さらに好ましくはほぼ０．５ｍｍの直径を有しているのが好ましい。

別案として貴金属部材は、好ましくは０．４から２．６ｍｍの間の直径をもつ円筒状の形態を有する貴金属小板である。車両エンジンについては、直径は好ましくは０．４から０．８ｍｍの間であり、好ましくは０．５から０．７ｍｍの間、特別に好ましくはほぼ０．６ｍｍである。据置型のガス発動機については、直径は好ましくは２．２から２．６ｍｍの間であり、好ましくはほぼ２．４ｍｍである。貴金属小板の厚みは好ましくは０．２から０．７ｍｍの範囲内、好ましくは０．２５から０．６ｍｍ、特別に好ましくはほぼ０．３ｍｍである。車両エンジンについては、厚みは好ましくはほぼ０．３ｍｍであり、据置型のガス発動機については好ましくはほぼ０．６ｍｍである。

溶接継目は電極表面に対して実質的に垂直方向に設けられているのが特別に好ましい。別案として、溶接継目は電極表面に対して角度をなして、好ましくは０°から６０°の角度をなして設けられている（可能であれば、ここに好ましい角度寸法を記入してください）。

本発明の別の好ましい実施形態では、溶接継目は貴金属部材の外側円周に中断なしに形成されている。さらに好ましくは、溶接継目の最大の幅は０．１から０．３ｍｍの範囲内にあり、特別に好ましくは約０．２ｍｍである。最大深さは、好ましくは０．３から０．９ｍｍの範囲内であり、特別に好ましくは０．６ｍｍである。

さらに本発明は、本発明による電極を備えている点火プラグ、ならびに電極を製造する方法を対象としており、第１のステップでは電極基本材料が準備され、貴金属部材が電極基本材料の表面に配置される。次いで、貴金属部材が電極基本材料に溶着されて、外面に存在する溶接結合部の幅Ｂに対する、溶接結合部の深さＴのアスペクト比が≧３となるようにされる。このとき溶接はレーザによって、特にファイバレーザによって行われるのが特別に好ましい。さらに好ましくは貴金属部材のうち５０容積％またはこれ以下の割合が溶接され、それにより、まだ十分に純粋な貴金属が貴金属部材に存在することになり、それによって電極の長期耐久性が非常に良好となり、多すぎる量の高価な貴金属を使用しなくてすむ。

次に、添付の図面を参照しながら、本発明の実施例について詳細に説明する。図面には次のものが示されている：

本発明の第１の実施例に基づく、点火プラグの燃焼室側の端部を示す模式的な部分破断側面図である。 図１のアース電極を示す模式的な部分平面図である。 図１のアース電極を示す模式的な断面図である。 本発明の第２の実施例に基づくアース電極を示す模式的な断面図である。 本発明の第３の実施例に基づくアース電極を示す模式的な断面図である。 本発明の第４の実施例に基づくアース電極を示す模式的な断面図である。

以下において、図１から図３を参照しながら、本発明の第１の実施例に基づく点火プラグ１のための電極について説明する。

図１の模式図を見ると明らかなように、点火プラグ１は、アース電極２と、点火プラグの中心軸Ｘ−Ｘに配置された中心電極３とを含んでいる。説明している本実施例では、本発明による電極はアース電極２である。ただし付言しておくと、本発明による電極は中心電極３であってもよく、または、これら両方の電極が本発明による方法で製作されていてもよい。

図１から明らかなとおり、アース電極２は、他方の電極のほうを向き、その際に中心軸Ｘ−Ｘに対して垂直方向に配置された面２０を有している。中心電極３は、アース電極のほうを向き、同じく中心軸Ｘ−Ｘに対して垂直方向を向く面３０を有している。

アース電極２は、貴金属を含まない材料、たとえばニッケル合金からなる電極基本材料４を含んでいる。さらにアース電極２は、溶接結合部６によって電極基本材料４に取り付けられた貴金属部材５を含んでいる。貴金属部材５は、本実施例ではボールであり、溶接結合部６は、図２に示すように、ボールの周囲で環状に構成されている。

図３の拡大図に見られるとおり、溶接結合部６は、溶接結合部６が軸方向に最大深さＴを有するように、すなわち、中心軸Ｘ−Ｘに対して平行な溶接継目の最大の長さを有するように構成されている。さらに溶接結合部６は、面２０と平行に最大の幅Ｂを表面に有している（図２も参照）。溶接結合部６の幅Ｂは、溶接結合部６の表面における点火プラグの中心軸Ｘ−Ｘから半径方向への溶接継目の最大の長さとして定義される。本実施例の溶接結合部６はファイバレーザによって製作されており、それにより、溶接結合部６を可能な限り均一に製作するための高い放射品質が保証される。このとき溶接結合部６については、貴金属部材５の材料と電極基本材料４が両方とも溶融され、相互に溶かし合わされた材料が溶接結合部６を形成する。このとき面２０と平行な最大の幅Ｂに対する、軸方向Ｘ−Ｘにおける溶接結合部６の最大の長さのアスペクト比は３よりも大きいか、またはこれに等しい（Ｔ／Ｂ≧３）。図３から明らかなように、このとき貴金属部材５０の容積の５０％未満が溶接結合部６に取り込まれる。それにより、大きい貴金属容積（本実施例では８０％以上）が存在したまま残され、それによって非常に高い点火プラグの長期耐久性が、貴金属の最低限の使用量で得られる。本実施例では、最大の幅Ｂは０．２ｍｍであり、軸方向Ｘ−Ｘの最大の長さは０．７ｍｍであり、したがって３．５のアスペクト比が得られる（０．７／０．２＝３．５）。

このとき、電極基本材料４に貴金属部材５を取り付けるための溶接プロセスは１回のステップで行われ、それからアース電極２が９０°だけ折り曲げられる。ボール状の貴金属部材の当初の直径は、ここでは０．５ｍｍである。すなわち本発明の方法について特にファイバレーザの使用は、非常に一定の幅と、点火プラグの軸方向Ｘ−Ｘでの非常に一定の長さとを有する、非常に正確な溶接継目が得られるようにすることを可能にする。別案として、ファイバレーザに代えて、これ以外のレーザを溶接に利用することもできる。

このように本発明は驚くべき簡単な仕方で、点火プラグでどのようにすれば貴金属を節約することができ、それによって点火プラグの長期耐久性が落ちないようにするかという道を指し示すものである。貴金属の節約により、特に点火プラグの製造を有意に安価にすることができる。点火プラグは大量生産部品なので、それによって大きな節減のポテンシャルがもたらされる。さらに付言しておくと、アース電極２と中心電極３が両方とも、本発明による≧３のアスペクト比の定義に基づいて溶接された貴金属部材を有していれば、点火プラグの長期耐久性をいっそう改善することができる。

図４から図６は本発明の別案の実施形態を示しており、同じ部品ないし機能が同じ部品には、第１の実施例と同じ符号が付されている。

図４は、貴金属からなる小板を貴金属部材５０として使用することを示している。貴金属小板は小さな円柱として構成されており、溶接結合部６によって電極基本材料４に溶接されている。図１から図３の第１の実施例では、軸方向Ｘ−Ｘにおける溶接継目の深さが、溶接結合部の軸方向の長さをほぼ定義していたのに対して、第２の実施例では、溶接継目６の軸方向の長さは大部分が貴金属部材５０の側方の円周縁に形成されている。電極の表面における最大の幅Ｂに対する最大深さＴのこのアスペクト比も３よりも大きいか、またはこれに等しい。

図５の第３の実施例では、第２の実施例の場合と同じく、貴金属部材５０として貴金属小板が使用される。しかし主な溶接方向は、第３の実施例では第２の実施例のときのように中心軸Ｘ−Ｘに対して実質的に平行ではなく、約４０°の角度αをなすように選択されている。それにより、部分的に貴金属部材５０よりも下方に位置する、漏斗形をした溶接結合部６が得られる。この溶接結合部６においてもアスペクト比はＴ／Ｂ≧３であり、このとき溶接結合部６の幅Ｂは、中心軸Ｘ−Ｘに対して半径方向を向く溶接継目６の最大の長さを、表面に投影することによって与えられる。

図６は本発明の第４の実施例を示しており、やはり当初はボールであった貴金属部材５が、アース電極２の向かい合う対向側２１から溶接されている。それにより、一方では上記の各実施例のような環状の溶接継目が生じるのではなく、対向側２１から貴金属部材５の脚部領域まで達する、実質的に円筒状の溶接継目が生じている。このとき溶接結合部６０は、中心電極のほうを向く面２０で、貴金属部材５から外に出ないように製作されている。このようにして、中心電極のほうを向く、貴金属部材５の特別に広い面がもたらされる。

この実施例の溶接結合部６０は、点火プラグの中心軸Ｘ−Ｘに構成されており、貴金属部材５に向かう方向で若干テーパ状になって終わっている。第４の実施例の幅Ｂは、対向面２１における溶接結合部６０の直径に相当する。中心軸Ｘ−Ｘの方向に延びる溶接結合部６０の長さは、アース電極２における溶接結合部の深さＴに相当する。点火プラグの火花発生領域で、他方の電極のほうを向く貴金属部材５の面全体を利用できるという上に述べた利点のほか、第４の実施例は、点状の溶接が可能であるという利点をさらに有しており、それにより、電極と溶接装置の間の相対運動が必要ないので、溶接設備のための設備コストを明らかに削減することができる。

このように本発明では、少ない貴金属使用量にもかかわらず非常に高い長期耐久性を有する、点火プラグのための改善された電極を提供することができる。本発明では、溶接継目が比較的小さく抑えられることも保証することができる。特に本発明によると、貴金属部材を０．０１５から０．２ｍｍ^３の範囲内の容積で溶接可能にすることが可能であり、貴金属容積の５０％未満が電極基本材料と溶かし合わされる。

２ アース電極
３ 中心電極
４ 電極基本材料
５ 貴金属部材
６ 溶接結合部
２０ 中心電極の中心軸に対して垂直方向に配置されたアース電極表面
５０ 貴金属部材
６０ 溶接結合部
α 電極表面に対する溶接接合部の角度
Ｂ 溶接接合部の最大の幅
Ｔ 中心軸における溶接接合部の最大の深さ

溶接継目は電極表面に対して実質的に垂直方向に設けられているのが特別に好ましい。別案として、溶接継目は電極表面に対して角度をなして、好ましくは０°から６０°の角度をなして設けられている。

図３の拡大図に見られるとおり、溶接結合部６は、溶接結合部６が軸方向に最大深さＴを有するように、すなわち、中心軸Ｘ−Ｘに対して平行な溶接継目の最大の長さを有するように構成されている。さらに溶接結合部６は、面２０と平行に最大の幅Ｂを表面に有している（図２も参照）。溶接結合部６の幅Ｂは、溶接結合部６の表面における点火プラグの中心軸Ｘ−Ｘから半径方向への溶接継目の最大の長さとして定義される。本実施例の溶接結合部６はファイバレーザによって製作されており、それにより、溶接結合部６を可能な限り均一に製作するための高い放射品質が保証される。このとき溶接結合部６については、貴金属部材５の材料と電極基本材料４が両方とも溶融され、相互に溶かし合わされた材料が溶接結合部６を形成する。このとき面２０と平行な最大の幅Ｂに対する、軸方向Ｘ−Ｘにおける溶接結合部６の最大の長さのアスペクト比は３よりも大きいか、またはこれに等しい（Ｔ／Ｂ≧３）。図３から明らかなように、このとき貴金属部材５の容積の５０％未満が溶接結合部６に取り込まれる。それにより、大きい貴金属容積（本実施例では８０％以上）が存在したまま残され、それによって非常に高い点火プラグの長期耐久性が、貴金属の最低限の使用量で得られる。本実施例では、最大の幅Ｂは０．２ｍｍであり、軸方向Ｘ−Ｘの最大の長さは０．７ｍｍであり、したがって３．５のアスペクト比が得られる（０．７／０．２＝３．５）。

Claims (14)

1. 点火コイルのための電極において、
   電極基本材料（４）と、
   貴金属部材（５；５０）とを含んでおり、
   前記貴金属部材（５；５０）は溶接結合部（６；６０）によって前記電極基本材料（４）に取り付けられており、
   前記溶接結合部は、前記貴金属部材が取り付けられている前記電極の面（２０）に対して垂直方向に最大の長さ（Ｔ）を有しており、前記溶接結合部は前記面（２０）における最大の幅（Ｂ）を有しており、
   前記最大の幅（Ｂ）に対する前記最大の長さ（Ｔ）の比率は３よりも大きいか、またはこれに等しい電極。
2. 前記貴金属部材（５；５０）の材料の５０容積％未満が前記溶接結合部（６；６０）で前記電極基本材料（４）と溶かし合わされていることを特徴とする、請求項１に記載の電極。
3. 前記貴金属部材（５０）の容積は０．０１５から０．２ｍｍ^３の間であり、特に約０．１ｍｍ^３であることを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項に記載の電極。
4. 前記貴金属部材（５）はボールであることを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項に記載の電極。
5. 前記貴金属部材（５）は０．３から０．７５ｍｍの間、特に０．４から０．６ｍｍの間、さらには特にほぼ０．５ｍｍの直径を有していることを特徴とする、請求項４に記載の電極。
6. 前記貴金属部材（５０）は０．４から０．８ｍｍ、特に０．５から０．７ｍｍ、さらには特にほぼ０．６ｍｍの直径をもつ貴金属小板であり、および／または０．２から０．４ｍｍの範囲内、特にほぼ０．３ｍｍの厚みを有していることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の電極。
7. 前記溶接継目（６；６０）は前記電極表面（２０）に対して実質的に垂直であることを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項に記載の電極。
8. 前記溶接継目は前記電極表面（２０）に対して角度（α）をなして形成されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の電極。
9. 前記溶接結合部（６）は前記貴金属部材（５；５０）の外側円周で中断なしに形成されており、または、
   前記溶接結合部（６０）は前記面（２０）と向かい合う前記電極の対向面（２１）に刻設されており、前記電極基本材料（４）のほうを向く前記貴金属部材（５）の側で前記貴金属部材（５）を固定することを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項に記載の電極。
10. 前記溶接結合部の幅は０．１から０．３ｍｍの間であり、および／または前記溶接結合部の深さは０．３から０．９ｍｍの間であることを特徴とする、先行請求項のうちいずれか１項に記載の電極。
11. 先行請求項のうちいずれか１項に記載の少なくとも１つの電極、特に２つの電極（２，３）を含んでいる点火プラグ。
12. 電極（２）を製造する方法において、
    電極基本材料（４）を準備し、
    前記電極基本材料（４）の上に貴金属部材（５；５０）を配置し、
    前記貴金属部材（５；５０）を前記電極基本材料（４）に溶着して、前記電極の表面（２０）における溶接継目の最大の幅（Ｂ）に対する、前記電極表面（２０）に対して垂直方向の溶接継目の最大の長さ（Ｔ）の比率を有する溶接継目が式Ｔ／Ｂ≧３を満たすようにする方法。
13. 前記貴金属部材（５；５０）の材料の５０容積％未満が前記溶接継目（６）をなすように前記電極基本材料（４）と溶かし合わされることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 前記溶接はレーザによって、特にファイバレーザによって行われることを特徴とする、請求項１２または１３に記載の方法。

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