JP2015097172A - スパークプラグの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接ダレやスパッタ、ブローホールの抑制されたスパークプラグを製造する。
【解決手段】中心電極および接地電極を備え、中心電極および接地電極の少なくともいずれか一方は、電極母材と電極母材に溶接された柱状の貴金属チップとを有するスパークプラグの製造方法。パルス発振レーザを照射することにより、電極母材と貴金属チップとの境界部の周囲に１回のレーザの照射につき１つ形成される単位溶融部を複数形成し、電極母材と貴金属チップとを溶接するレーザ溶接工程を備え、レーザ溶接工程では、レーザの照射軸を貴金属チップの中心軸から貴金属チップの径方向にずらし、貴金属チップの直径をＡ、レーザの照射軸をずらす量をＸとしたとき、Ａ／２０≦｜Ｘ｜≦Ａ／４を満たすことを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、スパークプラグの製造方法に関する。

スパークプラグの中心電極や接地電極には、電極母材と貴金属チップとがレーザ溶接されているものがある。電極母材と貴金属チップとのレーザ溶接では、溶融部の表面が広がるいわゆる「溶接ダレ」が貴金属チップの先端に及んだり、レーザ照射時に溶融した金属のスパッタが電極母材や貴金属チップに付着したりすることがある。このような溶接ダレやスパッタは、スパークプラグの着火性の低下を招くおそれがある。また、レーザ照射時に、溶融部にブローホールが生じると、溶融部の接合強度が低下して、電極母材から貴金属チップが剥離するおそれがある。特許文献１には、レーザ溶接に用いられる矩形状のレーザ強度波形を変更することによって、スパッタやブローホール等を抑制する技術が記載されている。

国際公開第２００８／１２３３４３号公報

近年、スパークプラグが使用される環境の高温化や、着火性の向上が要求されていることから、より高融点の貴金属チップが用いられつつある。電極母材と高融点の貴金属チップとを溶接するために、高いエネルギーのレーザが用いられる場合には、溶接ダレやスパッタ、ブローホールが発生しやすい。そのため、溶接ダレやスパッタ、ブローホールをさらに抑制する技術が望まれている。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、中心電極および接地電極を備え、前記中心電極および前記接地電極の少なくともいずれか一方は、電極母材と該電極母材に溶接された柱状の貴金属チップとを有するスパークプラグの製造方法が提供される。この製造方法は；パルス発振レーザを照射することにより、前記電極母材と前記貴金属チップとの境界部の周囲に１回の前記レーザの照射につき１つ形成される単位溶融部を複数形成し、前記電極母材と前記貴金属チップとを溶接するレーザ溶接工程を備え；前記レーザ溶接工程では、前記レーザの照射軸を前記貴金属チップの中心軸から前記貴金属チップの径方向にずらし；前記貴金属チップの直径をＡ、前記レーザの照射軸をずらす量をＸとしたとき；Ａ／２０≦｜Ｘ｜≦Ａ／４；を満たすことを特徴とする。この形態の製造方法によれば、レーザの照射軸を貴金属チップの中心軸から径方向にずらすことにより、貴金属チップの周方向に沿って長径を有する楕円形状の単位溶融部を形成することができる。そのため、貴金属チップの先端に向けての溶接ダレやスパッタ、ブローホール（以下、溶接ダレ等）を抑制することができる。また、レーザの照射軸を貴金属チップの中心軸から径方向にずらす量Ｘを、Ａ／２０≦｜Ｘ｜≦Ａ／４を満たす範囲とすることで、溶接ダレ等を効果的に抑制することができる。

（２）本発明の他の形態によれば、中心電極および接地電極を備え、前記中心電極および前記接地電極の少なくともいずれか一方は、電極母材と該電極母材に溶接された柱状の貴金属チップとを有するスパークプラグの製造方法が提供される。この製造方法は；パルス発振レーザを照射することにより、前記電極母材と前記貴金属チップとの境界部の周囲に１回の前記レーザの照射につき１つ形成される単位溶融部を複数形成し、前記電極母材と前記貴金属チップとを溶接するレーザ溶接工程を備え；前記レーザ溶接工程では、前記電極母材と前記貴金属チップとを前記レーザの照射軸に対して相対的に回転させる、単位時間あたりの回転数をＲ（ｒｐｓ）、前記レーザのパルス幅をＭ（ｍｓｅｃ）としたとき；５≦０．３６×Ｒ×Ｍ≦３０；を満たすことを特徴とする。このようにすることによっても、貴金属チップの周方向に沿って長径を有する楕円形状の単位溶融部を形成することができるので、溶接ダレ等を抑制することができる。また、レーザの照射軸に対する電極母材と貴金属チップとの相対的な回転数Ｒと、レーザのパルス幅Ｍとを、５≦０．３６×Ｒ×Ｍ≦３０とすることで、溶接ダレ等を効果的に抑制することができる。

（３）本発明の他の形態によれば、中心電極および接地電極を備え、前記中心電極および前記接地電極の少なくともいずれか一方は、電極母材と該電極母材に溶接された柱状の貴金属チップとを有するスパークプラグの製造方法が提供される。この製造方法は；パルス発振レーザを照射することにより、前記電極母材と前記貴金属チップとの境界部の周囲に１回の前記レーザの照射につき１つ形成される単位溶融部を複数形成し、前記電極母材と前記貴金属チップとを溶接するレーザ溶接工程を備え；前記レーザ溶接工程では、レーザスポットが楕円形状となる光学系を有するレーザ照射装置を用いて、前記貴金属チップの周方向に沿って長径を有する楕円形状の前記単位溶融部を形成することを特徴とする。この形態の製造方法によれば、レーザスポットが楕円形状となる光学系を有するので、レーザを電極母材と貴金属チップとの境界部に照射すれば、貴金属チップの周方向に沿って長径を有する楕円形状の溶融部を形成することができる。よって、溶接ダレ等を簡易に抑制することができる。

（４）上記形態の製造方法において；前記単位溶融部は、前記貴金属チップの周方向の最大幅をＤ、前記貴金属チップの中心軸と平行な方向の最大幅をｄとしたとき；１．０５≦Ｄ／ｄ≦１．５０；を満たす楕円形状を有することを特徴としてもよい。この形態の製造方法によれば、溶融部の形状を溶接ダレ等を抑制するために適した形状にすることができる。

（５）上記形態の製造方法において；前記単位溶融部を境界部の周囲に複数形成することにより、前記貴金属チップの全周にわたって形成された溶融部を、前記貴金属チップの周方向に沿って切断した断面の面積をＳ１、前記断面における前記溶融部の面積をＳ２としたときに；（Ｓ２／Ｓ１）×１００≧７０；を満たすことを特徴としてもよい。この形態の製造方法によれば、電極母材から貴金属チップが剥離することを抑制することができる。

（６）上記形態の製造方法において；前記レーザ溶接工程では、前記電極母材と前記貴金属チップとの前記境界部の周囲に、レーザスポットの単位面積あたりのエネルギーが３０Ｊ／ｍｍ²以上で前記レーザが照射されることを特徴としてもよい。この形態の製造方法によれば、レーザスポットの単位面積あたりのエネルギーが３０Ｊ／ｍｍ²以上のように比較的高いために溶接ダレ等が発生しやすい場合であっても、貴金属チップの周方向に沿って長径を有する楕円形状の単位溶融部が形成されるので、溶接ダレ等を効果的に抑制することができる。

本発明は、上述したスパークプラグの製造方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、スパークプラグや、スパークプラグ用の中心電極や接地電極、スパークプラグ用の中心電極や接地電極の製造方法等の形態で実現することができる。

スパークプラグ１００の部分断面図である。 中心電極２０の先端付近を拡大して示す図である。 中心電極２０の先端付近を拡大して示す断面図である。 電極母材と貴金属チップのレーザ溶接方法を示すフローチャートである。 本実施形態におけるレーザ溶接工程の様子を示す図である。 溶接ダレ、スパッタ、ブローホールが発生したスパークプラグの溶融部を示す図である。 条件１および条件２においてレーザ照射軸ＬＳのずれ量Ｘを変化させた場合の溶接状態の評価結果を示す図である。 条件１および条件２においてＤ／ｄの値を変化させて単位溶融部を形成した場合における溶接状態の評価結果を示す図である。 溶融部比率を算出する様子を示す図である。 酸化スケールの進展割合を算出する方法について説明するための図である。 溶融部比率と酸化スケールの進展割合との関係を示す図である。 第２実施形態における電極母材と貴金属チップのレーザ溶接方法を示すフローチャートである。 回転数Ｒとパルス幅Ｍとを変化させた場合の溶接状態の評価結果を示す図である。 第３実施形態における電極母材と貴金属チップのレーザ溶接方法を示すフローチャートである。

Ａ．第１実施形態：
Ａ１．スパークプラグの構成：
図１は、スパークプラグ１００の部分断面図である。スパークプラグ１００は、図１に示すように、軸線Ｏに沿った細長形状を有している。図１において、一点破線で示す軸線Ｏの右側は、外観正面図を示し、軸線Ｏの左側は、スパークプラグ１００の中心軸を通る断面でスパークプラグ１００を切断した断面図を示している。以下の説明では、軸線Ｏに平行であって図１の上方側を先端側と呼び、図１の下方側を後端側と呼ぶ。図１のｘｙｚ軸は、他の図のｘｙｚ軸と対応している。図１において、スパークプラグ１００の後端側が−ｚ方向であり、スパークプラグ１００の先端側が＋ｚ方向である。単に「ｚ方向」というときは、ｚ軸に平行な方向（ｚ軸に沿った方向）をいう。このことは、ｘ軸およびｙ軸についても同様である。

スパークプラグ１００は、絶縁碍子１０と、中心電極２０と、接地電極３０と、端子金具４０と、主体金具５０とを備える。絶縁碍子１０の先端から突出する棒状の中心電極２０は、絶縁碍子１０の内部を通じて、絶縁碍子１０の後端に設けられた端子金具４０に電気的に接続されている。中心電極２０の外周は、絶縁碍子１０によって保持され、絶縁碍子１０の外周は、端子金具４０から離れた位置で主体金具５０によって保持されている。主体金具５０に電気的に接続された接地電極３０は、火花を発生させる隙間である火花ギャップを中心電極２０の先端との間に形成する。

絶縁碍子１０は、アルミナ等を焼成して形成された絶縁体である。絶縁碍子１０は、中心電極２０および端子金具４０を収容する軸孔１２が中心に形成された筒状の部材である。絶縁碍子１０の軸方向中央には外径を大きくした中央胴部１９が形成されている。中央胴部１９よりも後端側には、端子金具４０と主体金具５０との間を絶縁する後端側胴部１８が形成されている。中央胴部１９よりも先端側には、後端側胴部１８よりも外径が小さい先端側胴部１７が形成され、先端側胴部１７のさらに先端側には、先端側胴部１７よりも小さい外径であって先端側へ向かうほど外径が小さくなる脚長部１３が形成されている。

主体金具５０は、絶縁碍子１０の後端側胴部１８の一部から脚長部１３にわたる部位を包囲して保持する筒状の金具である。本実施形態では、主体金具５０は、低炭素鋼により形成され、全体にニッケルめっきや亜鉛めっき等のめっき処理が施されている。主体金具５０は、工具係合部５１と、取付ネジ部５２と、シール部５４とを備える。工具係合部５１は、スパークプラグ１００をエンジンヘッドに取り付けるための工具が嵌合する。取付ネジ部５２は、エンジンヘッドの取付ネジ孔に螺合するネジ山を有する。シール部５４は、取付ネジ部５２の根元に鍔状に形成され、シール部５４とエンジンヘッドとの間には、板体を折り曲げて形成した環状のガスケット５が嵌挿される。

主体金具５０の工具係合部５１より後端側には薄肉の加締部５３が設けられている。また、シール部５４と工具係合部５１との間には、加締部５３と同様に薄肉の圧縮変形部５８が設けられている。工具係合部５１から加締部５３にかけての主体金具５０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が介在されており、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。スパークプラグ１００の製造時には、加締部５３を内側に折り曲げるようにして先端側に押圧することにより圧縮変形部５８が圧縮変形し、この圧縮変形部５８の圧縮変形により、リング部材６，７およびタルク９を介し、絶縁碍子１０が主体金具５０内で先端側に向け押圧される。この押圧により、タルク９が軸線Ｏ方向に圧縮されて主体金具５０内の気密性が高められる。

主体金具５０の内周においては、取付ネジ部５２の位置に形成された金具内段部５６に、環状の板パッキン８を介し、絶縁碍子１０の脚長部１３の基端に位置する碍子段部１５が押圧されている。この板パッキン８は、主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性を保持する部材であり、燃焼ガスの流出が防止される。

接地電極３０は、耐腐食性の高い金属から構成され、一例として、ニッケル合金が用いられる。この接地電極３０の基端は、主体金具５０の先端面５７に溶接されている。接地電極３０の先端側は、軸線Ｏと交差する方向に屈曲されている。接地電極３０の中心電極２０の先端と対向する部分においては、円柱状の貴金属チップ３４が電極母材３１に溶接されている。

中心電極２０は、電極母材２１の内部に、電極母材２１よりも熱伝導性に優れる芯材２２が埋設された棒状の部材である。電極母材２１は、ニッケルを主成分とするニッケル合金から成り、芯材２２は、銅または銅を主成分とする合金から成る。中心電極２０の先端においては、円柱状の貴金属チップ２４が電極母材２１に溶接されている。

貴金属チップ２４、３４は、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）あるいはこれらの合金によって形成されている。なお、図１に示す軸線Ｏは、貴金属チップ２４、３４の中心軸Ｏでもある。

図２は、中心電極２０の先端付近を拡大して示す図である。図３は、中心電極２０の先端付近を拡大して示す断面図である。中心電極２０は、電極母材２１と貴金属チップ２４との境界部２６（図３）付近において、電極母材２１と貴金属チップ２４とが溶融して形成された溶融部２５を備える。溶融部２５は、複数の単位溶融部２５ｎ１〜２５ｎ１２（図２）から構成されている。単位溶融部２５ｎ１〜２５ｎ１２は、貴金属チップ２４の周方向に全周にわたって形成されている。貴金属チップ２４の周方向とは、電極母材２１の周方向といいかえることもできるし、境界部２６付近の周方向といいかえることもできる。図２に示すように、それぞれの単位溶融部２５ｎ１〜２５ｎ１２は、隣り合う単位溶融部と重なり合っている。なお、単位溶融部の数は、適宜変更されてもよい。

単位溶融部２５ｎ１２は、複数の単位溶融部２５ｎ１〜２５ｎ１２のうち、最後に形成された単位溶融部である。単位溶融部２５ｎ１２は、貴金属チップ２４の周方向に沿って長径を有し、軸線Ｏと平行な方向であるｚ方向に沿って短径を有する楕円形状を有する。それぞれの単位溶融部２５ｎ１〜２５ｎ１２は、後述するように同じ条件で順次形成される。そのため、例えば、単位溶融部２５ｎ１１は、単位溶融部２５ｎ１１に続いて形成された単位溶融部２５ｎ１２が重なって全体の形状を確認し難いものの、単位溶融部２５ｎ１２と同じく楕円形状を有している。

本実施形態では、単位溶融部２５ｎ１〜２５ｎ１２の形状は、以下の式（１）を満たすことが好ましい。
１．０５≦Ｄ／ｄ≦１．５０・・・式（１）
ただし、Ｄは、貴金属チップ２４の周方向の最大幅（長径）、
ｄは、貴金属チップ２４の中心軸Ｏと平行な方向の最大幅（短径）。
なお、単位溶融部２５ｎ１〜２５ｎ１２の貴金属チップ２４の周方向の最大幅とは、図２を用いて説明すると、ｘ方向から中心電極２０を見た場合における、単位溶融部２５ｎ１〜２５ｎ１２のｙ方向の最大長さである。

また、本実施形態では溶融部２５は、以下の式（２）を満たすことが好ましい。
（Ｓ２／Ｓ１）×１００≧７０・・・式（２）
ただし、Ｓ１は溶融部２５の中心軸Ｏ（ｚ軸）と平行な方向における中心を、貴金属チップ２４の周方向（図２においてｘｙ平面）に沿って切断した断面の面積、
Ｓ２は断面における溶融部２５の面積。
なお、溶融部２５の中心軸Ｏ（ｚ軸）と平行な方向とは、中心軸Ｏと完全に平行な方向でなくともよく、例えば、数°のずれを含む概ね平行な方向であってもよい。

式（１）および式（２）を満たすことが好ましい理由については、実験結果とともに後述する。

Ａ２．スパークプラグの製造方法：
本実施形態の製造方法では、まず、主体金具５０と、絶縁碍子１０と、中心電極２０と、接地電極３０とが準備される。中心電極２０は、電極母材２１と貴金属チップ２４とがレーザ溶接されて形成されている。電極母材２１と貴金属チップ２４のレーザ溶接方法については、後述する。

続いて、主体金具５０に接地電極３０が接合される。これとは別に、中心電極２０と絶縁碍子１０とが組み付けられる。そして、中心電極２０が組み付けられた絶縁碍子１０が主体金具５０に組み付けられる組み付け工程が実施される。この組み付け工程によって、主体金具５０の内側に絶縁碍子（絶縁体）１０と中心電極２０とが組み付けられた組立体が構成される。

組み付け工程の後には、主体金具５０の加締工程が実施される。この加締工程により、絶縁碍子１０が主体金具５０に固定される。その後、接地電極３０の電極母材３１に貴金属チップ３４がレーザ溶接される。そして、最後に、主体金具５０のシール部５４と取付ネジ部５２との間にガスケット５が装着されて、スパークプラグ１００が完成する。なお、上記製造方法は一例であり、これとは異なる種々の方法でスパークプラグを製造可能である。例えば、上述した工程の順序は、任意に変更可能である。

Ａ３．電極母材と貴金属チップとのレーザ溶接方法：
図４は、電極母材と貴金属チップとのレーザ溶接方法を示すフローチャートである。この方法は、中心電極２０と接地電極３０との両方に適用されるが、ここでは中心電極２０におけるレーザ溶接を例に挙げて説明する。このことは、以下の実施形態においても同様である。

まず、電極母材２１の所定の位置（本実施形態では先端）に貴金属チップ２４が配置される（ステップＳ１０１）。ステップＳ１０１では、電極母材２１と貴金属チップ２４とを仮固定のために抵抗溶接してもよいし、電極母材２１と貴金属チップ２４とを治具により固定してもよい。

次に、電極母材２１と貴金属チップ２４との境界部２６付近の周囲にレーザが照射される（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０２では、電極母材２１と貴金属チップ２４とを中心軸Ｏを中心として回転させ、パルス発振レーザ装置を用いて、１回のレーザ照射につき１つ形成される単位溶融部を、境界部２６付近の周囲に順次形成する。こうすることにより、複数の単位溶融部２５ｎ１〜２５ｎ１２から構成される溶融部２５が、貴金属チップ２４の全周（境界部２６付近の周囲）にわたって形成される。本実施形態では、貴金属チップ２４の中心軸Ｏから、貴金属チップ２４の径方向にレーザ照射軸ＬＳをずらして、レーザが照射される。

なお、本実施形態において、１パルスあたりのエネルギーを、レーザスポット面積で除算して算出される、レーザスポットの単位面積あたりのエネルギーは、３０Ｊ／ｍｍ²以上である。

図５は、本実施形態におけるレーザ溶接工程の様子を示す図である。図５（ａ）は、レーザ溶接工程を−ｘ方向からみた図であり、図５（ｂ）は、レーザ溶接工程を＋ｚ方向からみた図である。図５（ａ）に示すように、レーザＬＢは電極母材２１と貴金属チップ２４との境界部２６付近に照射されている。レーザ照射軸ＬＳは、ｘｙ平面と並行である。また、図５（ｂ）に示すように、レーザ照射軸ＬＳは、貴金属チップ２４の中心軸Ｏから、貴金属チップ２４の径方向（図５（ｂ）においてｘ方向）にずれている。すなわち、レーザＬＢは、レーザ照射軸ＬＳと貴金属チップの中心軸Ｏとが交わらないように、境界部２６付近に照射されている。いいかえると、レーザ溶接工程では、レーザの照射軸ＬＳと貴金属チップ２４の中心軸Ｏとの位置がねじれの位置になるように、レーザの照射軸ＬＳが、貴金属チップ２４の中心軸Ｏから貴金属チップ２４の径方向にずらされている。このようにレーザＬＢを照射する位置が設定されて、レーザＬＢが境界部２６付近に照射されることにより、単位溶融部２５ｎ１〜２５ｎ１２は、図２に示したように、貴金属チップ２４の周方向に沿って長径を有する楕円形状となる。本実施形態では、貴金属チップ２４の直径Ａと、レーザ照射軸ＬＳの中心軸Ｏからのずれ量Ｘとが、以下の式（３）を満たすように、レーザを照射する位置を設定する。

Ａ／２０≦｜Ｘ｜≦Ａ／４・・・式（３）

本実施形態では、レーザ照射軸ＬＳを貴金属チップ２４の中心軸Ｏから径方向にずらすことにより、貴金属チップ２４の周方向に沿って長径を有する楕円形状の単位溶融部２５ｎ１〜２５ｎ１２を形成することができる。そのため、本実施形態の単位溶融部と周方向の最大幅Ｄが同じであって、円形状の単位溶融部を形成する場合と比べると、本実施形態の製造方法によれば、溶融部２５のｚ方向の最大幅ｄを短くすることができる。よって、貴金属チップ２４の先端へ向けての溶接ダレや、貴金属チップ２４の先端付近にスパッタが付着することを抑制することができる。そのため、貴金属チップ２４の厚みが比較的小さい場合であっても、貴金属チップ２４の先端へ向けての溶接ダレや、スパッタの付着を効果的に抑制することができるので、スパークプラグの着火性を確保することができる。

また、一般的に、単位溶融部の重なり合う部分では、ブローホールが発生しやすい。しかし、本実施形態の単位溶融部とｚ方向の最大幅ｄが同じであって、円形状の単位溶融部を形成する場合と比べると、本実施形態の製造方法によれば、少ないショット数で溶融部２５を形成することができる。そのため、円形状の単位溶融部を形成する場合と比べて、溶融部２５における単位溶融部の重なり合う部分の面積を、小さくすることができる。よって、単位溶融部の重なり合う部分に生じやすいブローホールを抑制することができる。

また、レーザ照射軸ＬＳのずれ量が上述の式（３）を満たすようにレーザを照射する位置を設定することで、溶接ダレやスパッタ、ブローホールを効果的に抑制することができる。さらに、一般的にレーザスポットの単位面積あたりのエネルギーが高いほど、溶接ダレやスパッタ、ブローホールが発生しやすい傾向がある。しかし、本実施形態の製造方法によれば、レーザスポットの単位面積あたりのエネルギーが、３０Ｊ／ｍｍ²以上であり、従来の約２〜３倍以上と比較的高い場合であっても、溶接ダレやスパッタ、ブローホールを抑制することができる。そのため高融点の貴金属チップ２４を高いエネルギーでレーザ溶接する場合であっても、溶接ダレやスパッタ、ブローホールを効果的に抑制することができる。

以下、式（３）を満たすように電極母材２１と貴金属チップ２４との溶接が行われる根拠について、実験結果に基づいて説明する。

Ａ４．第１実施形態の実施例１：
本実施例では、上述のレーザ溶接方法（図４、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０２）のうち、ステップＳ１０２において、貴金属チップ２４の直径Ａとずれ量Ｘとを以下に示すそれぞれの条件１、２内で異ならせて、同じ直径Ａおよびずれ量Ｘごとに、１００本のスパークプラグを作製した。

＜レーザ溶接条件１＞
・貴金属チップ
直径Ａ：０．６ｍｍ
材質：Ｉｒ合金
・レーザ
レーザパワー：２００Ｗ
パルス幅：６ｍｓｅｃ
ショット数：１２ショット
電極母材と貴金属チップの回転速度：２ｒｐｓ
レーザスポット径：１５０μｍ
レーザスポットの単位面積あたりのエネルギー：６８Ｊ／ｍｍ²（（２００Ｗ×６ｍｓｅｃ）／（（１５０μｍ／２０００）²×π）により算出。）

＜レーザ溶接条件２＞
・貴金属チップ
直径Ａ：０．８ｍｍ
材質：Ｐｔ合金
・レーザ
レーザパワー：１５０Ｗ
パルス幅：４ｍｓｅｃ
ショット数：１６ショット
電極母材と貴金属チップの回転速度：２ｒｐｓ
レーザスポット径：１５０μｍ
レーザスポットの単位面積あたりのエネルギー：３４Ｊ／ｍｍ²（（１５０Ｗ×４ｍｓｅｃ）／（（１５０μｍ／２０００）²×π）により算出。）

次に、作製したスパークプラグの溶融部において、溶接ダレやスパッタ、ブローホールの発生の有無を確認した。そして、溶接ダレやスパッタ、ブローホールが発生したことにより溶接状態が不良（ＮＧ）であると判断されたスパークプラグの本数を計数した。

図６は、溶接ダレ、スパッタ、ブローホールが発生したスパークプラグの溶融部を示す図である。図６（ａ）には、溶融部において溶接ダレが発生した様子が示されている。本実施例では、最も＋ｚ方向に位置する溶融部の先端ｚ１から、最も−ｚ方向に位置する溶融部の先端ｚ２までの距離Ｌを測定し、Ｌ≧０．１ｍｍである場合に、溶接ダレにより溶接状態がＮＧであると判断した。

図６（ｂ）には、スパッタＳＰが発生したスパークプラグが示されている。本実施例では、直径０．１ｍｍ以上のスパッタＳＰが発生している場合に、スパッタにより溶接状態がＮＧであると判断した。

図６（ｃ）には、ブローホールＢＨが発生したスパークプラグが示されている。本実施形態では、スパークプラグの中心電極２０にＸ線を照射して、ブローホールＢＨの有無を確認した。ブローホールＢＨの大きさは、ブローホールＢＨが確認された箇所を切断して金属顕微鏡により観察することによって測定した。測定されたブローホールＢＨの大きさが０．１ｍｍ以上である場合に、ブローホールにより溶接状態がＮＧであると判断した。

図７は、条件１および条件２において、レーザ照射軸ＬＳのずれ量Ｘを変化させた場合の溶接状態の評価結果を示す図である。図７には、ずれ量Ｘと、溶接ダレおよびスパッタが発生したことによってＮＧと判断されたスパークプラグの本数と、ブローホールが発生したことによってＮＧと判断されたスパークプラグの本数とが示されている。また、図７には、溶接ダレおよびスパッタ、ブローホールにより溶接状態がＮＧであると判断されたスパークプラグの数が０である範囲を斜線で示している。

条件１では、ずれ量Ｘの絶対値が、０．１５≦｜Ｘ｜≦０．０３の範囲内ある場合に、電極母材２１と貴金属チップ２４との溶接状態が良好（ＯＫ）であった。また、条件２では、ずれ量Ｘの絶対値が、０．２０≦｜Ｘ｜≦０．０４の範囲内にある場合に、溶接状態が良好であった。溶接状態が良好である場合のずれ量Ｘと、条件２における貴金属チップ２４の直径Ａとの関係について調査すると、溶接状態は、Ｘの絶対値が、Ａ／２０≦｜Ｘ｜≦Ａ／４の範囲内にある場合に良好であることがわかった。

以上の結果をまとめると、ずれ量Ｘの絶対値｜Ｘ｜と貴金属チップ２４の直径Ａとの関係が、Ａ／２０≦｜Ｘ｜≦Ａ／４（式（３））を満たす場合に、溶接ダレやスパッタ、ブローホールが抑制された溶融部２５が形成され、電極母材２１と貴金属チップ２４とが良好に溶接されることが示された。

Ａ５．第１実施形態の実施例２（単位溶融部の形状評価）：
次に、式（１）を満たすように電極母材２１と貴金属チップ２４との溶接が行われることが好ましい根拠について、実験結果に基づいて説明する。

本実施例では、単位溶融部２５ｎ１〜２５ｎ１２の貴金属チップ２４の周方向の最大幅をＤ、貴金属チップ２４の中心軸Ｏと平行な方向（ｚ方向）の最大幅をｄとし、Ｄ／ｄの値を変化させたスパークプラグを１００本ずつ作製した。レーザ溶接条件は、上述の実施例１における条件１および条件２を用いた。次に、溶接ダレやスパッタ、ブローホールが発生したことにより、溶接状態がＮＧと判断されたスパークプラグの本数を計数した。溶接状態がＮＧと判断される基準は、上述の実施例１と同様であるため、説明を省略する。

図８は、条件１および条件２において、Ｄ／ｄの値を変化させて単位溶融部を形成した場合における溶接状態の評価結果を示す図である。図８には、Ｄ／ｄの値と、溶接ダレおよびスパッタが発生したことによってＮＧと判断されたスパークプラグの本数と、ブローホールが発生したことによってＮＧと判断されたスパークプラグの本数と、が示されている。また、図８には、溶接ダレおよびスパッタ、ブローホールにより溶接状態がＮＧであると判断されたスパークプラグの数が０である範囲を、斜線で示している。

図８に示すように、条件１および条件２において、Ｄ／ｄの値が１．０５≦Ｄ／ｄ≦１．５０（式（１））の範囲内にある場合に、溶接ダレやスパッタ、ブローホールが発生せず、溶接状態が良好であった。以上の結果より、式（１）を満たすように電極母材２１と貴金属チップ２４との溶接が行われることが好ましいことが示された。

Ａ６．第１実施形態の実施例３（貴金属チップの耐剥離性評価）：
次に、式（２）を満たすように電極母材２１と貴金属チップ２４との溶接が行われることが好ましい根拠について、実験結果に基づいて説明する。

本実施例では、楕円形状の単位溶融部から形成された溶融部について、溶融部比率（Ｓ２／Ｓ１）を変化させたスパークプラグを複数作製した。溶融部比率と貴金属チップ２４の電極母材２１からの耐剥離性を評価した。

図９は、溶融部比率を算出する様子を示す図である。図９（ａ）は溶融部２５の切断位置を示す図であり、図９（ｂ）は切断された溶融部の断面を示す図である。溶融部比率は、図９（ａ）に示すように、中心軸Ｏ（ｚ軸）と平行な方向における溶融部２５の中心Ｐを、貴金属チップ２４の周方向（ｘｙ平面）に沿って切断した断面の面積をＳ１、断面における溶融部２５の面積をＳ２として（Ｓ２／Ｓ１）×１００を計算することにより求めた。具体的には、レーザ溶接条件を適宜変更させて、単位溶融部が楕円形状を有し、溶融部比率が５０％、６０％、７０％、８０％、９０％である中心電極２０を有するスパークプラグを作製した。

次に、溶融部比率と貴金属チップ２４の耐剥離性との関係を評価するために、冷熱試験を行った。冷熱試験では、まず中心電極２０先端をバーナーで２分間熱し、中心電極２０の温度を１０００℃まで上昇させた。その後バーナーを切り、中心電極２０を１分間徐冷し、再び中心電極２０をバーナーで２分間熱して２０の温度を１０００℃まで上昇させた。このサイクルを１０００回繰り返した。次に、溶融部２５を中心軸Ｏを通るｚｙ平面で切断し、溶融部２５付近に発生した酸化スケールの長さを測定した。そして、測定された酸化スケールの長さから、酸化スケールの進展割合を求めた。

図１０は、酸化スケールの進展割合を算出する方法について説明するための図である。図１０には、冷熱試験を行ったスパークプラグの中心電極２０について、中心軸Ｏを通るｚｙ平面で切断した断面（半断面）図が示されている。酸化スケールの進展割合は、半断面におけるｙ方向の酸化スケールＯＳの長さＢ１、Ｂ２の合計Ｂと、電極母材２１と貴金属チップ２４とのｙ方向の溶接長さＣ１、Ｃ２の合計Ｃと、をそれぞれ求め、溶接長さＣに対する酸化スケールの長さＢの割合を求めることにより算出した。そして、酸化スケールＯＳの進展割合が５０％未満である場合に、耐剥離性が良好であると判断した。

図１１は、溶融部比率と酸化スケールの進展割合との関係を示す図である。図１１に示すように、溶融部比率が７０％を超えると、酸化スケールの進展割合が５０％未満となった。すなわち、溶融部比率が（Ｓ２／Ｓ１）×１００≧７０（式（２））を満たす場合に、貴金属チップ２４の耐剥離性が良好となった。以上の結果より、式（２）を満たすように電極母材２１と貴金属チップ２４との溶接が行われることが好ましいことが示された。

Ｂ．第２実施形態：
Ｂ１．スパークプラグの構成：
本実施形態におけるスパークプラグ１００の構成は、第１実施形態のスパークプラグ１００の構成（図１〜図３）と同様であるため説明を省略する。

Ｂ２．スパークプラグの製造方法：
本実施形態におけるスパークプラグ１００の製造方法は、電極母材と貴金属チップとのレーザ溶接方法を除き、上述の第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

Ｂ３．電極母材と貴金属チップとのレーザ溶接方法：
図１２は、第２実施形態における電極母材と貴金属チップのレーザ溶接方法を示すフローチャートである。第２実施形態でも、上述の第１実施形態と同様に、電極母材２１の所定の位置に貴金属チップ２４が配置される（ステップＳ２０１）。

次に、電極母材２１と貴金属チップ２４との境界部２６付近の周囲にレーザが照射される（ステップＳ２０２）。本実施形態では、電極母材２１および貴金属チップ２４とをレーザ照射軸ＬＳに対して相対的に回転させる単位時間あたりの回転数Ｒ（ｒｐｓ）と、レーザのパルス幅Ｍ（ｍｓｅｃ）とが、以下の式（４）を満たすように調整される。なお、レーザは、貴金属チップ２４の中心軸Ｏに向けてｘｙ平面と平行に照射される。

５≦０．３６×Ｒ×Ｍ≦３０・・・式（４）

このように、回転数Ｒとレーザのパルス幅Ｍとが式（４）を満たすように調整することによっても、貴金属チップ２４の周方向に沿って長径を有する楕円形状の単位溶融部２５ｎ１〜２５ｎ１２を形成することができるので、上述の第１実施形態と同様の効果を奏する。

また、本実施形態の製造方法によれば、第１実施形態と同様に、レーザスポットの単位面積あたりのエネルギーが、３０Ｊ／ｍｍ²以上と従来より高い場合であっても、溶接ダレやスパッタ、ブローホールを抑制することができる。

以下、式（４）を満たすように電極母材２１と貴金属チップ２４との溶接が行われる根拠について、実験結果に基づいて説明する。

Ｂ４．第２実施形態の実施例１：
本実施例では、上述のレーザ照射工程（ステップＳ２０２）において、電極母材２１と貴金属チップ２４とを、中心軸Ｏを中心にして回転させる回転数Ｒ（ｒｐｓ）と、レーザのパルス幅Ｍ（ｍｓｅｃ）と、を以下に示す条件内で異ならせて、異なる条件ごとに１００本のスパークプラグを作製した。作製したスパークプラグについて、溶接ダレやスパッタ、ブローホールが発生したことにより、溶接状態がＮＧと判断されたスパークプラグの本数を計数した。溶接状態がＮＧと判断される基準は、上述の第１実施形態の実施例１と同様であるため、説明を省略する。

＜レーザ溶接条件＞
・ 貴金属チップ
直径Ａ：０．６ｍｍ
材質：Ｉｒ合金
・ レーザ
パルス幅：Ｍ（ｍｓｅｃ）
回転速度：Ｒ（ｒｐｓ）
ショット数：１２ショット
レーザスポット径：直径１５０μｍ

図１３は、回転数Ｒ（ｒｐｓ）とパルス幅Ｍとを変化させた場合の溶接状態の評価結果を示す図である。図１３には、回転数Ｒとパルス幅Ｍ（ｍｓｅｃ）と、溶接ダレやスパッタが発生したことによってＮＧと判断されたスパークプラグの本数と、ブローホールが発生したことによってＮＧと判断されたスパークプラグの本数と、回転数Ｒ（ｒｐｓ）とパルス幅Ｍ（ｍｓｅｃ）と０．３６とを乗算した値（０．３６×Ｒ×Ｍ）と、レーザパワーと、レーザスポットの単位面積あたりのエネルギーと、が示されている。なお、「０．３６×Ｒ×Ｍ」は、「Ｒ×３６０°×（Ｍ／１０００（ｓｅｃ））」を意味しており、レーザ照射中の回転角度に相当する。また、図１３には、溶接ダレおよびスパッタ、ブローホールによりＮＧと判断されたスパークプラグが存在しない範囲を斜線で示している。

図１３に示す結果より、回転数Ｒおよびパルス幅Ｍが、５≦０．３６×Ｒ×Ｍ≦３０（式（４））の関係を満たす場合（回転角度が５°以上３０°以下である場合）に、溶接ダレやスパッタ、ブローホールが抑制された溶融部２５が形成され、電極母材２１と貴金属チップ２４とが良好に溶接されることが示された。

Ｃ．第３実施形態：
Ｃ１．スパークプラグの構成：
本実施形態におけるスパークプラグ１００の構成は第１実施形態のスパークプラグ１００の構成（図１〜図３）と同様であるため説明を省略する。

Ｃ２．スパークプラグの製造方法：
本実施形態におけるスパークプラグ１００の製造方法は、電極母材と貴金属チップとのレーザ溶接方法を除き、上述の第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

Ｃ３．電極母材と貴金属チップとのレーザ溶接方法：
図１４は、第３実施形態における電極母材と貴金属チップのレーザ溶接方法を示すフローチャートである。第３実施形態でも、上述の第１実施形態および第２実施形態と同様に、電極母材２１の所定の位置に貴金属チップ２４が配置される（ステップＳ３０１）。

次に、電極母材２１と貴金属チップ２４との境界部２６付近の周囲にレーザが照射される（ステップＳ３０２）。本実施形態では、レーザスポットが楕円形状となる光学系を有するレーザ照射装置を用いて、電極母材２１と貴金属チップ２４との境界部２６付近にレーザが照射される。具体的には、楕円のビームを形成可能なレンズを備えるレーザ照射装置を用いて、レーザが照射される。なお、レーザは、貴金属チップ２４の中心軸Ｏに向けてｘｙ平面と平行に照射される。レーザは、貴金属チップ２４の周方向にレーザスポットの長径が位置し、貴金属チップ２４の中心軸Ｏ（ｚ軸）と平行な方向にレーザスポットの短径が位置するように調整されて、照射される。

なお、レーザスポットが楕円形状となる光学系を有するレーザ照射装置は、例えば、丸型のレーザビームを楕円に変形させるユニットを備えるレーザ照射装置や、出射されるビームの断面が楕円形状である、半導体レーザを用いる照射装置など種々の装置を用いることができる。また、丸型のレーザビームを楕円に変形させる方法として、例えば、丸型のレーザビームを形成するレンズを有するレーザ照射装置を用い、レーザの照射軸（入射軸）ＬＳをレンズの中心軸からずらしてレンズに入射し、さらにフォーカスをずらすことによって、出射されるビームの断面を楕円形状としてもよい。

このようにすることによっても、貴金属チップ２４の周方向に沿って長径を有する楕円形状の単位溶融部２５ｎ１〜２５ｎ１２を形成することができるので、上述の第１実施形態および第２実施形態と同様の効果を奏する。

また、本実施形態の製造方法によれば、第１実施形態および第２実施形態と同様に、レーザスポットの単位面積あたりのエネルギーが、３０Ｊ／ｍｍ²以上と従来の約２〜３倍以上と比較的高い場合であっても、溶接ダレやスパッタ、ブローホールを抑制することができる。

さらに、第１実施形態のようにレーザ照射軸ＬＳを貴金属チップの中心軸Ｏに対してずらしたり、第２実施形態のように電極母材２１と貴金属チップ２４との回転数Ｒやレーザ光のパルス幅Ｍを調整したりすることなく、楕円形状の単位溶融部を形成することができる。そのため、一般的なレーザ溶接と同様の操作で、溶接ダレやスパッタ、ブローホールを抑制することができる。

Ｄ．変形例：
上述の種々の実施形態では、レーザ溶接は、電極母材２１と貴金属チップ２４とを回転させつつ、境界部２６付近にレーザを照射して行われている。これに対し、レーザ溶接は、レーザ照射装置を貴金属チップ２４の周方向に回転させつつ、電極母材２１と貴金属チップ２４とを回転させずに、境界部２６付近の周囲にレーザを照射して行われてもよい。また、レーザ溶接は、レーザ照射装置を貴金属チップ２４の周方向に回転させるとともに、電極母材２１と貴金属チップ２４とを回転させて、境界部２６付近の周囲にレーザを照射して行われてもよい。

上述の種々の実施形態では、単位溶融部２５ｎ１〜２５ｎ１２の形状は楕円形状である。これに対し、単位溶融部２５ｎ１〜２５ｎ１２の形状は、完全な楕円形状でなくともよい。例えば、単位溶融部２５ｎ１〜２５ｎ１２の形状が、長径と短径とが上述の式（１）を満たし、溶接ダレにより溶接状態がＮＧと判断されない形状であればよい。単位溶融部２５ｎ１〜２５ｎ１２がこのような形状であれば、上述の種々の実施形態と同様の効果を奏する。

上述の種々の実施形態では、中心電極２０の電極母材２１と貴金属チップ２４のレーザ溶接方法を示している。このレーザ溶接方法は、接地電極３０の電極母材３１と貴金属チップ３４とに適用されてもよい。貴金属チップ３４は、電極母材３１と貴金属チップ３４との間に介在する中間チップを介して電極母材３１にレーザ溶接されてもよい。中間チップを用いる場合には、例えば、貴金属チップ３４が中間チップに予めレーザ溶接され、その中間チップが接地電極３０の電極母材３１に抵抗溶接またはレーザ溶接される。この場合、中間チップを接地電極の一部として捉えることが可能である。中間チップは、例えば、接地電極と同様の材料により形成されてもよい。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

５…ガスケット
６、７…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…碍子段部
１７…先端側胴部
１８…後端側胴部
１９…中央胴部
２０…中心電極
２１…電極母材
２２…芯材
２４…貴金属チップ
２５…溶融部
２５ｎ１〜２５ｎ１２…単位溶融部
２６…境界部
３０…接地電極
３１…電極母材
３４…貴金属チップ
４０…端子金具
５０…主体金具
５１…工具係合部
５２…取付ネジ部
５３…加締部
５４…シール部
５６…金具内段部
５７…先端面
５８…圧縮変形部
１００…スパークプラグ
Ｏ…中心軸（軸線）
Ｐ…溶融部中心
ＬＢ…レーザ
ＬＳ…レーザ照射軸
ＢＨ…ブローホール
ＳＰ…スパッタ
ＯＳ…酸化スケール

Claims (6)

1. 中心電極および接地電極を備え、前記中心電極および前記接地電極の少なくともいずれか一方は、電極母材と該電極母材に溶接された柱状の貴金属チップとを有するスパークプラグの製造方法であって、
   パルス発振レーザを照射することにより、前記電極母材と前記貴金属チップとの境界部の周囲に１回の前記レーザの照射につき１つ形成される単位溶融部を複数形成し、前記電極母材と前記貴金属チップとを溶接するレーザ溶接工程を備え、
   前記レーザ溶接工程では、前記レーザの照射軸を前記貴金属チップの中心軸から前記貴金属チップの径方向にずらし、
   前記貴金属チップの直径を直径Ａ、前記レーザの照射軸をずらす量をＸとしたとき、
   Ａ／２０≦｜Ｘ｜≦Ａ／４
   を満たすことを特徴とする、スパークプラグの製造方法。
2. 中心電極および接地電極を備え、前記中心電極および前記接地電極の少なくともいずれか一方は、電極母材と該電極母材に溶接された柱状の貴金属チップとを有するスパークプラグの製造方法であって、
   パルス発振レーザを照射することにより、前記電極母材と前記貴金属チップとの境界部の周囲に１回の前記レーザの照射につき１つ形成される単位溶融部を複数形成し、前記電極母材と前記貴金属チップとを溶接するレーザ溶接工程を備え、
   前記レーザ溶接工程では、前記電極母材と前記貴金属チップとを前記レーザの照射軸に対して相対的に回転させる、単位時間あたりの回転数をＲ（ｒｐｓ）、前記レーザのパルス幅をＭ（ｍｓｅｃ）としたとき、
   ５≦０．３６×Ｒ×Ｍ≦３０
   を満たすことを特徴とする、スパークプラグの製造方法。
3. 中心電極および接地電極を備え、前記中心電極および前記接地電極の少なくともいずれか一方は、電極母材と該電極母材に溶接された柱状の貴金属チップとを有するスパークプラグの製造方法であって、
   パルス発振レーザを照射することにより、前記電極母材と前記貴金属チップとの境界部の周囲に１回の前記レーザの照射につき１つ形成される単位溶融部を複数形成し、前記電極母材と前記貴金属チップとを溶接するレーザ溶接工程を備え、
   前記レーザ溶接工程では、レーザスポットが楕円形状となる光学系を有するレーザ照射装置を用いて、前記貴金属チップの周方向に沿って長径を有する楕円形状の前記単位溶融部を形成することを特徴とする、スパークプラグの製造方法。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のスパークプラグの製造方法であって、
   前記単位溶融部は、前記貴金属チップの周方向の最大幅をＤ、前記貴金属チップの中心軸と平行な方向の最大幅をｄとしたとき、
   １．０５≦Ｄ／ｄ≦１．５０
   を満たす楕円形状を有することを特徴とする、スパークプラグの製造方法。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のスパークプラグの製造方法であって、
   前記単位溶融部を前記境界部の周囲に複数形成することにより、前記貴金属チップの全周にわたって形成された溶融部を、前記貴金属チップの周方向に沿って切断した断面の面積をＳ１、前記断面における前記溶融部の面積をＳ２としたときに、
   （Ｓ２／Ｓ１）×１００≧７０
   を満たすことを特徴とする、スパークプラグの製造方法。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のスパークプラグの製造方法であって、
   前記レーザ溶接工程では、前記電極母材と前記貴金属チップとの前記境界部の周囲に、レーザスポットの単位面積あたりのエネルギーが３０Ｊ／ｍｍ²以上で前記レーザが照射されることを特徴とする、スパークプラグの製造方法。