JP3796849B2 - スパークプラグおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
ガスヒートポンプやコージェネレーション用エンジン等のガスエンジンに使用される長寿命なスパークプラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特開平５−３４３１５９号公報には、図６に示すようなスパークプラグ１０が提案されている。このスパークプラグ１０のチップ５は脚部５１および大径部５２を有している。そして、中心電極３の先端部３ａの孔３２１に、チップ５の脚部５１が挿入され、チップ５と中心電極３の先端部３ａとの界面近傍に、レーザー溶接による溶融部７が形成されている。なお、大径部５２の径は１．８ｍｍであった。また、中心電極３は導電材料（例えば銅合金材料やニッケル合金材料）からなり、チップ５は中心電極３よりも高融点な導電材料（例えばＰｔ合金材料）から構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、このようなスパークプラグ１０を、ガスヒートポンプやコージェネレーション用エンジン等に適用することが試みられている。ガスヒートポンプやコージェネレーション用エンジン等は、従来の自動車エンジン等に比べて長期間にわたって使用されるため、これに適用するスパークプラグ１０も長寿命であることが要求される。
【０００４】
そして、本発明者らが、上記従来技術のスパークプラグ１０について、ガスエンジンの使用環境を模擬して評価を行なった結果、ガスエンジンの寿命よりも短い期間で、スパークプラグ１０に点火ミスが多発する恐れがあることがわかった。また、上記寿命よりも短い期間で、スパークプラグ１０の要求電圧（スパークプラグ１０が火花放電可能な電圧）が、スパークプラグ１０に供給可能な供給電圧（約−３５ｋＶ）よりも大きくなり、火花放電できなくなることが、上記恐れの原因であることがわかった。
【０００５】
以下に、この原因について詳しく説明する。
まず、上記従来技術では、中心電極３の孔３２１の底面３２１ａと、チップ５の脚部５１の先端部５１１とが、特に溶接等にて接合されていないため、この底面３２１ａと先端部５１１とは近接または当接していると考えられる。そして、製造上の理由から、中心電極３およびチップ５の表面に、数十μｍ程度の微少な凹凸があるため、たとえ上記底面３２１ａと上記先端部５１１とが当接していても、上記底面３２１ａと上記先端部５１１との間には、数十μｍ程度の微少な間隙（空気層）が存在する。よって、上記底面３２１ａと上記先端部５１１との間の熱伝導性は悪い。
【０００６】
従って、スパークプラグ１０の使用時において、チップ５の受ける熱を中心電極３側へ効率よく逃がすことができず、チップ５が異常に高温となり、チップ５が異常に消耗する。この結果、スパークプラグ１０の放電ギャップ６（図２参照）が急速に拡大され、上記要求電圧が増大するのである。
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、大径部および脚部を有するチップの熱を中心電極側へ効率よく逃がすことを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１ないし４に記載の発明では、脚部（５１）および大径部（５２）を備えるチップ（５）の脚部（５１）を、中心電極（３）の先端部（３ａ）の孔（３２１）に挿入し、
中心電極（３）の孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）と、チップ（５）の脚部（５１）の先端部（５１１）とを、溶接して一体化しており、チップ（５）と中心電極（３）との界面近傍に、チップ（５）および中心電極（３）を溶融して、チップ（５）と中心電極（３）とを一体に接合する溶融部（７）を形成したスパークプラグの製造方法であって、
チップ（５）の脚部（５１）の長さＬと、中心電極（３）の孔（３２１）の深さＤとの差（Ｌ−Ｄ）が、０より大きく、かつ、１．０ｍｍ以下となるように設定されたチップ（５）および中心電極（３）を用い、
中心電極（３）の孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）とチップ（５）の脚部（５１）の先端部（５１１）とを溶接するとともに、中心電極（３）の先端部（３ａ）と大径部（５２）とを当接させる第１工程と、
第１工程の後、チップ（５）と中心電極（３）との界面近傍に、溶融部（７）を形成する第２工程とを含むことを特徴としている。
【０００８】
そして、上記構成によれば、中心電極（３）の孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）と、チップ（５）の脚部（５１）の先端部（５１１）とを溶接することにより、孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）と、脚部（５１）の先端部（５１１）との間の微小な間隙が埋められる。このため、孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）と、脚部（５１）の先端部（５１１）との間の熱伝導性を向上できる。
【０００９】
ここで、中心電極（３）のうち、チップ（５）に対向する部位において、孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）は、孔（３２１）の側周面に比べて温度が低いため、この底面部（３２１ａ、８１）と、チップ（５）の脚部（５１）の先端部（５１１）との間の熱伝導性を向上することにより、チップ（５）の熱を、中心電極（３）側へ効率よく逃がすことができる。
【００１０】
従って、チップ（５）の異常消耗を抑制でき、スパークプラグ（１０）の要求電圧が高くなることを抑制できるので、点火ミスの多発を抑制でき、このスパークプラグ（１０）の寿命を長くできる。このようなスパークプラグ（１０）は、上記ガスエンジンに使用して好適である。
なお、孔（３２１）の底面（３２１ａ）により、孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）を構成する場合や、この孔（３２１）の底面（３２１ａ）に、チップ（５）よりも融点の低い材料からなる導電部材（８）を配置し、この導電部材（８）の表面（８１）により、孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）を構成する場合がある。
【００１１】
また、中心電極（３）およびチップ（５）を溶融させてなる溶融部（７）は、中心電極（３）の熱膨張率とチップ（５）の熱膨張率の間の熱膨張率を有する。よって、この溶融部（７）により、スパークプラグ（１０）の使用時において、中心電極（３）とチップ（５）との界面近傍に発生する熱応力を緩和でき、チップ（５）の剥離を抑制できる。
【００１６】
そして、請求項１ないし４に記載の発明では、前述したようにチップ（５）の脚部（５１）の長さＬと、中心電極（３）の孔（３２１）の深さＤとの差（Ｌ−Ｄ）が、０より大きく、かつ、１．０ｍｍ以下となるように設定されたチップ（５）および中心電極（３）を用い、
中心電極（３）の孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）とチップ（５）の脚部（５１）の先端部（５１１）とを溶接するとともに、中心電極（３）の先端部（３ａ）と大径部（５２）とを当接させる第１工程と、
第１工程の後、チップ（５）と中心電極（３）との界面近傍に、溶融部（７）を形成する第２工程とを含んでいる。
【００１７】
ここで、上記長さＬと上記深さＤとの差が０となるように設定した場合、チップ（５）および中心電極（３）の微少な寸法誤差等により、上記第１工程において、中心電極（３）の孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）と、チップ（５）の脚部（５１）の先端部（５１１）とを、隙間なく一体化できなくなる恐れがある。これに対して、差（Ｌ−Ｄ）を０より大きくすることにより、上記恐れを抑制できる。
【００１８】
また、差（Ｌ−Ｄ）を１．０ｍｍより大きくすると、第１工程の後、チップ（５）の脚部（５１）が孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）に深く入り込み、中心電極（３）の先端部（３ａ）が径方向に膨らむように変形して、チップ（５）を、中心電極（３）の所定位置に配置できなくなる恐れがある、ということが、発明者らの実験、経験によりわかっている。
そして、チップ（５）が所定位置に配置されていない場合、チップ（５）が全面的に消耗せず、局所的に消耗するため、放電ギャップ（６）の拡大が急速に進み、点火ミスが早期に発生する恐れがある。これに対して、差（Ｌ−Ｄ）を１．０ｍｍ以下とすることにより、上記恐れを抑制できる。
また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のスパークプラグの製造方法において、第１工程において、中心電極（３）の孔（３２１）の底面部（３２１ａ）に、チップ（５）よりも融点の低い材料からなる導電部材（８）を配置し、
第１工程は、導電部材（８）の表面（８１）と、チップ（５）の脚部（５１）の先端部（５１１）とを溶接することを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載のスパークプラグの製造方法において、中心電極（３）の孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）とチップ（５）の脚部（５１）の先端部（５１１）とを、抵抗溶接により一体化することを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載のスパークプラグの製造方法において、チップ（５）と中心電極（３）との界面近傍に、エネルギの集中する光線を当てることにより、溶融部（７）を形成することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図２および図１（ｄ）、（ｅ）に示す本実施形態のスパークプラグ１０は、ガスヒートポンプのエンジンに適用される。このスパークプラグ１０は、円筒状の取付金具１を備えており、この取付金具１の取付ネジ部１ａにより、エンジンブロック１００に固定されている。取付金具１の内部には、アルミナセラミック（Ａｌ2 Ｏ3 ）等からなる絶縁体２が固定されており、この絶縁体２の軸孔２１に中心電極３が固定されている。絶縁体２の先端部２ａは、取付金具１の先端部１１から露出するように設けられている。
【００２０】
中心電極３は、内材３１が熱伝導性に優れた金属材料（例えば銅）、外材３２が耐熱性に優れたＮｉ合金材料（例えば、インコネル社のインコネル６００）により構成された円柱体で、その先端部３ａが絶縁体２の先端部２ａから露出するように設けられている。取付金具１の先端部１１には、接地電極４が溶接により固定されている。この接地電極４は、Ｎｉ合金材料等の金属材料からなり、チップ５と放電ギャップ６を隔てて対向している。
【００２１】
ここで、ガスエンジンの燃焼室内は、ガソリンエンジンの燃焼室内に比べて圧力が高いため、火花放電しにくい環境である。このため、本実施形態におけるスパークプラグ１０の放電ギャップ６を、ガソリンエンジンに設けるスパークプラグの放電ギャップに比べて短く、例えば０．３ｍｍ程度にしてある。
中心電極３の先端部３ａには、Ｉｒ合金材料（例えば、９０ｗｔ％Ｉｒ−１０ｗｔ％Ｒｈ）からなるチップ５が設けられている。中心電極３の先端部３ａには、円形状の孔３２１が形成されており、チップ５は、孔３２１に挿入可能な円柱形状の脚部５１と、この脚部５１よりも大径な円柱形状の大径部５２とを備えている。
【００２２】
さらに、大径部５２には、図１（ｅ）に示すような十字状の溝５３が形成されている。この溝５３は、図１（ａ）に示すように断面コ字状であり、この溝５３と大径部５２の表面との境界部に、直角的に尖った形状のエッジ部５４が形成されている。ここで、放電ギャップ６に発生する火花放電は、チップ５の大径部５２のうち、尖った部位（大径部５２の端面外周部や、上記エッジ部５４）に発生しやすい。よって、溝５３を形成しない場合に比べて、火花放電の発生しやすい場所が増加し、スパークプラグ１０の寿命を長くできる。
【００２３】
また、火花放電により形成される火炎は、放電ギャップ６に形成されるものであるが、溝５３を設けることにより、火炎の形成スペースを拡大でき、火炎を大きくできる。この結果、混合気の着火性を向上できる。
そして、チップ５の脚部５１と中心電極３の先端部３ａとの界面近傍には、チップ５の脚部５１および中心電極３の溶融部７が、複数カ所（本実施形態では９０°づつ隔てて４か所）形成されている。この溶融部７は、チップ５の脚部５１および中心電極３の先端部３ａにかけて形成されており、後述するレーザー溶接により形成されている。また、中心電極３の孔３２１の底面（底面部）３２１ａと、チップ５の脚部５１の先端部５１１とは、後述する抵抗溶接により一体化されている。
【００２４】
以下に、チップ５を中心電極３の先端部３ａに固定する方法を説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、中心電極３の孔３２１にチップ５の脚部５１を挿入する。ここで、チップ５の脚部５１の長さＬおよび中心電極３の孔３２１の深さＤは、この長さＬと深さＤとの差（Ｌ−Ｄ）が、例えば０．４ｍｍとなるように設定されている。なお、チップ５の大径部５２の径は２．７ｍｍ、長さは１．３ｍｍ、大径部５２の溝５３の幅は０．４ｍｍ、深さは０．８ｍｍ、脚部５１の径は１．７ｍｍ、長さＬは１．２ｍｍ、中心電極３の孔３２１の径は１．８ｍｍ、深さＤは０．８ｍｍとしている。
【００２５】
その後、図１（ｂ）に示すように、抵抗溶接機の溶接電極９により抵抗溶接を行う。この抵抗溶接は、圧力Ｐ＝３０ｋｇ／ｃｍ2 、投入電流Ｉ＝２０００Ａで、交流電流を用いて３０サイクル行なう。これにより、孔３２１の底面３２１ａに脚部５１の先端部５１１が全面的に圧接されると同時に、孔３２１の底面３２１ａと脚部５１の先端部５１１との間に大電流が投入されて発熱し、孔３２１の底面３２１ａが全面的に溶融し、孔３２１の底面３２１ａに脚部５１の先端部５１１が入り込む。
【００２６】
これにより、図１（ｃ）に示すように、孔３２１の底面３２１ａと脚部５１の先端部５１１が全面的に一体化される。なお、中心電極３の先端部３ａに大径部５が当接することにより、上記入り込み量は規制される。また、上記抵抗溶接時に、脚部５１の先端部５１１も多少軟化して変形するため、上記入り込み量は上記差（Ｌ−Ｄ）よりもわずかに大きいものである。
【００２７】
その後、チップ５の脚部５１の側周面に沿って、レーザー溶接を複数カ所（例えば４か所）行なう。このレーザー溶接にはＹＡＧレーザー（エネルギの集中する光線）を使用し、照射エネルギが５Ｊ、照射時間が２．５ｍｓ、焦点がジャストフォーカスとしている。そして、径方向に略垂直に図１（ｃ）中矢印Ａで示す方向に、レーザーを当てている。
【００２８】
そして、上記構成によれば、中心電極３の孔３２１の底面３２１ａと、チップ５の脚部５１の先端部５１１とを全面的に溶接することにより、孔３２１の底面３２１ａと、脚部５１の先端部５１１との間の微小な間隙が埋められる。このため、孔３２１の底面３２１ａと、脚部５１の先端部５１１との間の熱伝導性を向上できる。
【００２９】
ここで、中心電極３のうち、チップ５に対向する部位において、孔３２１の底面３２１ａは、孔３２１の側周面に比べて温度が低いため、この底面３２１ａと、チップ５の脚部５１の先端部５１１との間の熱伝導性を向上することにより、チップ５の熱を、中心電極３側へ効率よく逃がすことができる。
従って、チップ５の異常消耗を抑制でき、スパークプラグ１０の要求電圧が高くなることを抑制できるので、点火ミスの多発を抑制でき、このスパークプラグ１０の寿命を長くできる。
【００３０】
また、中心電極３およびチップ５を溶融させてなる溶融部７は、中心電極３の熱膨張率とチップ５の熱膨張率の間の熱膨張率を有する。よって、この溶融部７により、スパークプラグ１０の使用時において、チップ５と中心電極３の先端部３ａとの界面近傍にかかる熱応力を緩和でき、チップ５が中心電極３の先端部３ａから剥離するのを抑制できる。
【００３１】
以下に、脚部５１の長さＬと孔３２１の深さＤとの差（Ｌ−Ｄ）と、スパークプラグ１０の要求電圧との関係を評価した結果について説明する。
まず、差（Ｌ−Ｄ）が、−１．０ｍｍ、−０．２５ｍｍ、０．０ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍのものをそれぞれ６個ずつ用意し、上記した抵抗溶接、レーザー溶接の順で、チップ５を中心電極３に固定した。
【００３２】
そして、これらスパークプラグ１０を、１２気筒、４５００ｃｃガスエンジンに取り付け、このガスエンジンを、スロットル全開（エンジン回転数＝１５００ｒｐｍ）条件で２０００時間作動させた後の、スパークプラグ１０の要求電圧を測定した。この結果を図３のグラフに示す。なお、図３のグラフにおいて、６個のスパークプラグ１０の要求電圧のばらつき幅を、矢印で示し、それらの平均値を白丸で示してある。また、この評価に用いた全てのスパークプラグ１０の初期（エンジン取付直後）の要求電圧は約−２０ｋＶであった。
【００３３】
この結果、差（Ｌ−Ｄ）が０．０ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍのスパークプラグ１０によれば、差（Ｌ−Ｄ）が−１．０ｍｍ、−０．２５ｍｍのスパークプラグ１０に比べて要求電圧の上昇を抑制でき、ひいては、スパークプラグ１０の寿命を長くできることがわかった。
なお、上記差（Ｌ−Ｄ）が１．０ｍｍより大きなスパークプラグ１０に関しては、中心電極３の先端部３ａが径方向に膨らむように変形して、チップ５が中心電極３の先端部３ａの所定位置に配置されていないものが多々形成されることが確認されている。
【００３４】
また、差（Ｌ−Ｄ）が−１．０ｍｍ、−０．２５ｍｍのスパークプラグ１０に関しては、抵抗溶接時に、チップ５の大径部５２と中心電極３の先端部３ａとが強く圧接し、この圧接部位が主に発熱して溶接されている。よって、脚部５１の先端部５１１と孔３２１の底面３２１ａとの間の間隙を確実に埋めることができず、チップ５の熱引けが悪いものである、と考えられる。
【００３５】
（第２の実施形態）
本実施形態では、図４に示すように、溶融部７が、チップ５の大径部５２および中心電極３の先端部３ａにかけて形成されている。このような形態のスパークプラグ１０について、上記評価と同様の評価を行なった結果、上記第１の実施形態と同様の理由により、上記差（Ｌ−Ｄ）を０．０ｍｍ〜１．０ｍｍとするのが好ましい、ということがわかった。
【００３６】
（第３の実施形態）
本実施形態では、図５（ａ）に示すように、中心電極３の孔３２１の底面３２１ａに、円柱状の導電部材８を配置した後、図５（ｂ）に示すように、この導電部材８の上面８１に脚部５１を押しつけた状態で、抵抗溶接を施している。導電部材８は、チップ５の線膨張率と中心電極３の線膨張率の間の線膨張率を有する材料で、かつ、チップ５よりも融点が低い材料、例えばニッケル合金材料、Ｐｔ、Ｉｒ合金材料等からなる。
【００３７】
ここで、導電部材８の上面８１により、請求項でいう孔３２１の底面部を構成しており、中心電極３の先端面から、導電部材８の上面８１までの長さを、請求項でいう孔３２１の深さＤとしている。また、孔３２１の深さＤおよび脚部５１の長さＬは、差（Ｌ−Ｄ）が、例えば０．８ｍｍとなるように設定されている。
そして、上記抵抗溶接により、孔３２１の底面３２１ａおよび導電部材８が主に溶融し、図５（ｃ）に示すように、孔３２１の底面３２１ａと導電部材８の底面、および、導電部材８の上面８１と脚部５１の先端部５１１が一体化される。その後、レーザーを図５（ｃ）中矢印Ａで示す方向に当てることにより、図５（ｄ）に示すように、溶融部７が形成される。
【００３８】
これによれば、溶融部７だけでなく、導電部材８によっても、チップ５と中心電極３との界面にかかる熱応力を効果的に緩和できるので、チップ５が中心電極３から剥離することを効果的に抑制できる。
（他の実施形態）
上記実施形態では、大径部５２の表面に十字状の溝５３を形成していたが、この形状に限定されることはなく、円形状であってもよいし、スポーク状であってもよい。また、溝５３を廃止してもよい。
【００３９】
また、上記実施形態では、溝５３は断面コ字状であったが、断面Ｖ字状であってもよい。なお、溝５３のエッジ部５４は、直角より鈍角的でも鋭角的でもよい。
また、上記実施形態では、大径部５２の径が２．７ｍｍのチップ５を用いていたが、これより大きくても小さくてもよく、例えば、従来技術と同様のチップ５（大径部５２の径が１．８ｍｍ）を用いてもよい。
【００４０】
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ーを用いていたが、他に電子ビーム等を用いてもよい。
また、上記第１の実施形態では、図１（ｃ）に示すように、中心電極３の先端部３ａに大径部５が当接することにより、上記入り込み量を上記差（Ｌ−Ｄ）程度に規制していたが、大径部５を当接させないで、抵抗溶接の投入電流Ｉや圧力Ｐを調整することにより、上記入り込み量を上記差（Ｌ−Ｄ）程度に規制してもよい。このときは、脚部５１の長さＬおよび孔３２１の深さＤは、上記差（Ｌ−Ｄ）が１．０ｍｍより大きくなるように設定されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係わるスパークプラグの製造工程を示す要部断面図であり、（ｅ）はチップの上面図である。
【図２】本発明の実施形態に係わるスパークプラグの半断面図である。
【図３】脚部の長さＬと孔の深さＤとの差（Ｌ−Ｄ）と、ガスエンジンで２０００時間使用した後のスパークプラグの要求電圧との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施形態に係わるスパークプラグの要部断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係わるスパークプラグの製造工程を示す要部断面図である。
【図６】従来技術に係わるスパークプラグの要部断面図である。
【符号の説明】
３…中心電極、３ａ…中心電極の先端部、３２１…孔、３２１ａ…孔の底面、５…チップ、５１…脚部、５１１…脚部の先端部、５２…大径部、７…溶融部。
【発明の属する技術分野】
ガスヒートポンプやコージェネレーション用エンジン等のガスエンジンに使用される長寿命なスパークプラグに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、特開平５−３４３１５９号公報には、図６に示すようなスパークプラグ１０が提案されている。このスパークプラグ１０のチップ５は脚部５１および大径部５２を有している。そして、中心電極３の先端部３ａの孔３２１に、チップ５の脚部５１が挿入され、チップ５と中心電極３の先端部３ａとの界面近傍に、レーザー溶接による溶融部７が形成されている。なお、大径部５２の径は１．８ｍｍであった。また、中心電極３は導電材料（例えば銅合金材料やニッケル合金材料）からなり、チップ５は中心電極３よりも高融点な導電材料（例えばＰｔ合金材料）から構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、このようなスパークプラグ１０を、ガスヒートポンプやコージェネレーション用エンジン等に適用することが試みられている。ガスヒートポンプやコージェネレーション用エンジン等は、従来の自動車エンジン等に比べて長期間にわたって使用されるため、これに適用するスパークプラグ１０も長寿命であることが要求される。
【０００４】
そして、本発明者らが、上記従来技術のスパークプラグ１０について、ガスエンジンの使用環境を模擬して評価を行なった結果、ガスエンジンの寿命よりも短い期間で、スパークプラグ１０に点火ミスが多発する恐れがあることがわかった。また、上記寿命よりも短い期間で、スパークプラグ１０の要求電圧（スパークプラグ１０が火花放電可能な電圧）が、スパークプラグ１０に供給可能な供給電圧（約−３５ｋＶ）よりも大きくなり、火花放電できなくなることが、上記恐れの原因であることがわかった。
【０００５】
以下に、この原因について詳しく説明する。
まず、上記従来技術では、中心電極３の孔３２１の底面３２１ａと、チップ５の脚部５１の先端部５１１とが、特に溶接等にて接合されていないため、この底面３２１ａと先端部５１１とは近接または当接していると考えられる。そして、製造上の理由から、中心電極３およびチップ５の表面に、数十μｍ程度の微少な凹凸があるため、たとえ上記底面３２１ａと上記先端部５１１とが当接していても、上記底面３２１ａと上記先端部５１１との間には、数十μｍ程度の微少な間隙（空気層）が存在する。よって、上記底面３２１ａと上記先端部５１１との間の熱伝導性は悪い。
【０００６】
従って、スパークプラグ１０の使用時において、チップ５の受ける熱を中心電極３側へ効率よく逃がすことができず、チップ５が異常に高温となり、チップ５が異常に消耗する。この結果、スパークプラグ１０の放電ギャップ６（図２参照）が急速に拡大され、上記要求電圧が増大するのである。
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、大径部および脚部を有するチップの熱を中心電極側へ効率よく逃がすことを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１ないし４に記載の発明では、脚部（５１）および大径部（５２）を備えるチップ（５）の脚部（５１）を、中心電極（３）の先端部（３ａ）の孔（３２１）に挿入し、
中心電極（３）の孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）と、チップ（５）の脚部（５１）の先端部（５１１）とを、溶接して一体化しており、チップ（５）と中心電極（３）との界面近傍に、チップ（５）および中心電極（３）を溶融して、チップ（５）と中心電極（３）とを一体に接合する溶融部（７）を形成したスパークプラグの製造方法であって、
チップ（５）の脚部（５１）の長さＬと、中心電極（３）の孔（３２１）の深さＤとの差（Ｌ−Ｄ）が、０より大きく、かつ、１．０ｍｍ以下となるように設定されたチップ（５）および中心電極（３）を用い、
中心電極（３）の孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）とチップ（５）の脚部（５１）の先端部（５１１）とを溶接するとともに、中心電極（３）の先端部（３ａ）と大径部（５２）とを当接させる第１工程と、
第１工程の後、チップ（５）と中心電極（３）との界面近傍に、溶融部（７）を形成する第２工程とを含むことを特徴としている。
【０００８】
そして、上記構成によれば、中心電極（３）の孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）と、チップ（５）の脚部（５１）の先端部（５１１）とを溶接することにより、孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）と、脚部（５１）の先端部（５１１）との間の微小な間隙が埋められる。このため、孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）と、脚部（５１）の先端部（５１１）との間の熱伝導性を向上できる。
【０００９】
ここで、中心電極（３）のうち、チップ（５）に対向する部位において、孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）は、孔（３２１）の側周面に比べて温度が低いため、この底面部（３２１ａ、８１）と、チップ（５）の脚部（５１）の先端部（５１１）との間の熱伝導性を向上することにより、チップ（５）の熱を、中心電極（３）側へ効率よく逃がすことができる。
【００１０】
従って、チップ（５）の異常消耗を抑制でき、スパークプラグ（１０）の要求電圧が高くなることを抑制できるので、点火ミスの多発を抑制でき、このスパークプラグ（１０）の寿命を長くできる。このようなスパークプラグ（１０）は、上記ガスエンジンに使用して好適である。
なお、孔（３２１）の底面（３２１ａ）により、孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）を構成する場合や、この孔（３２１）の底面（３２１ａ）に、チップ（５）よりも融点の低い材料からなる導電部材（８）を配置し、この導電部材（８）の表面（８１）により、孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）を構成する場合がある。
【００１１】
また、中心電極（３）およびチップ（５）を溶融させてなる溶融部（７）は、中心電極（３）の熱膨張率とチップ（５）の熱膨張率の間の熱膨張率を有する。よって、この溶融部（７）により、スパークプラグ（１０）の使用時において、中心電極（３）とチップ（５）との界面近傍に発生する熱応力を緩和でき、チップ（５）の剥離を抑制できる。
【００１６】
そして、請求項１ないし４に記載の発明では、前述したようにチップ（５）の脚部（５１）の長さＬと、中心電極（３）の孔（３２１）の深さＤとの差（Ｌ−Ｄ）が、０より大きく、かつ、１．０ｍｍ以下となるように設定されたチップ（５）および中心電極（３）を用い、
中心電極（３）の孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）とチップ（５）の脚部（５１）の先端部（５１１）とを溶接するとともに、中心電極（３）の先端部（３ａ）と大径部（５２）とを当接させる第１工程と、
第１工程の後、チップ（５）と中心電極（３）との界面近傍に、溶融部（７）を形成する第２工程とを含んでいる。
【００１７】
ここで、上記長さＬと上記深さＤとの差が０となるように設定した場合、チップ（５）および中心電極（３）の微少な寸法誤差等により、上記第１工程において、中心電極（３）の孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）と、チップ（５）の脚部（５１）の先端部（５１１）とを、隙間なく一体化できなくなる恐れがある。これに対して、差（Ｌ−Ｄ）を０より大きくすることにより、上記恐れを抑制できる。
【００１８】
また、差（Ｌ−Ｄ）を１．０ｍｍより大きくすると、第１工程の後、チップ（５）の脚部（５１）が孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）に深く入り込み、中心電極（３）の先端部（３ａ）が径方向に膨らむように変形して、チップ（５）を、中心電極（３）の所定位置に配置できなくなる恐れがある、ということが、発明者らの実験、経験によりわかっている。
そして、チップ（５）が所定位置に配置されていない場合、チップ（５）が全面的に消耗せず、局所的に消耗するため、放電ギャップ（６）の拡大が急速に進み、点火ミスが早期に発生する恐れがある。これに対して、差（Ｌ−Ｄ）を１．０ｍｍ以下とすることにより、上記恐れを抑制できる。
また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のスパークプラグの製造方法において、第１工程において、中心電極（３）の孔（３２１）の底面部（３２１ａ）に、チップ（５）よりも融点の低い材料からなる導電部材（８）を配置し、
第１工程は、導電部材（８）の表面（８１）と、チップ（５）の脚部（５１）の先端部（５１１）とを溶接することを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載のスパークプラグの製造方法において、中心電極（３）の孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）とチップ（５）の脚部（５１）の先端部（５１１）とを、抵抗溶接により一体化することを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載のスパークプラグの製造方法において、チップ（５）と中心電極（３）との界面近傍に、エネルギの集中する光線を当てることにより、溶融部（７）を形成することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図２および図１（ｄ）、（ｅ）に示す本実施形態のスパークプラグ１０は、ガスヒートポンプのエンジンに適用される。このスパークプラグ１０は、円筒状の取付金具１を備えており、この取付金具１の取付ネジ部１ａにより、エンジンブロック１００に固定されている。取付金具１の内部には、アルミナセラミック（Ａｌ2 Ｏ3 ）等からなる絶縁体２が固定されており、この絶縁体２の軸孔２１に中心電極３が固定されている。絶縁体２の先端部２ａは、取付金具１の先端部１１から露出するように設けられている。
【００２０】
中心電極３は、内材３１が熱伝導性に優れた金属材料（例えば銅）、外材３２が耐熱性に優れたＮｉ合金材料（例えば、インコネル社のインコネル６００）により構成された円柱体で、その先端部３ａが絶縁体２の先端部２ａから露出するように設けられている。取付金具１の先端部１１には、接地電極４が溶接により固定されている。この接地電極４は、Ｎｉ合金材料等の金属材料からなり、チップ５と放電ギャップ６を隔てて対向している。
【００２１】
ここで、ガスエンジンの燃焼室内は、ガソリンエンジンの燃焼室内に比べて圧力が高いため、火花放電しにくい環境である。このため、本実施形態におけるスパークプラグ１０の放電ギャップ６を、ガソリンエンジンに設けるスパークプラグの放電ギャップに比べて短く、例えば０．３ｍｍ程度にしてある。
中心電極３の先端部３ａには、Ｉｒ合金材料（例えば、９０ｗｔ％Ｉｒ−１０ｗｔ％Ｒｈ）からなるチップ５が設けられている。中心電極３の先端部３ａには、円形状の孔３２１が形成されており、チップ５は、孔３２１に挿入可能な円柱形状の脚部５１と、この脚部５１よりも大径な円柱形状の大径部５２とを備えている。
【００２２】
さらに、大径部５２には、図１（ｅ）に示すような十字状の溝５３が形成されている。この溝５３は、図１（ａ）に示すように断面コ字状であり、この溝５３と大径部５２の表面との境界部に、直角的に尖った形状のエッジ部５４が形成されている。ここで、放電ギャップ６に発生する火花放電は、チップ５の大径部５２のうち、尖った部位（大径部５２の端面外周部や、上記エッジ部５４）に発生しやすい。よって、溝５３を形成しない場合に比べて、火花放電の発生しやすい場所が増加し、スパークプラグ１０の寿命を長くできる。
【００２３】
また、火花放電により形成される火炎は、放電ギャップ６に形成されるものであるが、溝５３を設けることにより、火炎の形成スペースを拡大でき、火炎を大きくできる。この結果、混合気の着火性を向上できる。
そして、チップ５の脚部５１と中心電極３の先端部３ａとの界面近傍には、チップ５の脚部５１および中心電極３の溶融部７が、複数カ所（本実施形態では９０°づつ隔てて４か所）形成されている。この溶融部７は、チップ５の脚部５１および中心電極３の先端部３ａにかけて形成されており、後述するレーザー溶接により形成されている。また、中心電極３の孔３２１の底面（底面部）３２１ａと、チップ５の脚部５１の先端部５１１とは、後述する抵抗溶接により一体化されている。
【００２４】
以下に、チップ５を中心電極３の先端部３ａに固定する方法を説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、中心電極３の孔３２１にチップ５の脚部５１を挿入する。ここで、チップ５の脚部５１の長さＬおよび中心電極３の孔３２１の深さＤは、この長さＬと深さＤとの差（Ｌ−Ｄ）が、例えば０．４ｍｍとなるように設定されている。なお、チップ５の大径部５２の径は２．７ｍｍ、長さは１．３ｍｍ、大径部５２の溝５３の幅は０．４ｍｍ、深さは０．８ｍｍ、脚部５１の径は１．７ｍｍ、長さＬは１．２ｍｍ、中心電極３の孔３２１の径は１．８ｍｍ、深さＤは０．８ｍｍとしている。
【００２５】
その後、図１（ｂ）に示すように、抵抗溶接機の溶接電極９により抵抗溶接を行う。この抵抗溶接は、圧力Ｐ＝３０ｋｇ／ｃｍ2 、投入電流Ｉ＝２０００Ａで、交流電流を用いて３０サイクル行なう。これにより、孔３２１の底面３２１ａに脚部５１の先端部５１１が全面的に圧接されると同時に、孔３２１の底面３２１ａと脚部５１の先端部５１１との間に大電流が投入されて発熱し、孔３２１の底面３２１ａが全面的に溶融し、孔３２１の底面３２１ａに脚部５１の先端部５１１が入り込む。
【００２６】
これにより、図１（ｃ）に示すように、孔３２１の底面３２１ａと脚部５１の先端部５１１が全面的に一体化される。なお、中心電極３の先端部３ａに大径部５が当接することにより、上記入り込み量は規制される。また、上記抵抗溶接時に、脚部５１の先端部５１１も多少軟化して変形するため、上記入り込み量は上記差（Ｌ−Ｄ）よりもわずかに大きいものである。
【００２７】
その後、チップ５の脚部５１の側周面に沿って、レーザー溶接を複数カ所（例えば４か所）行なう。このレーザー溶接にはＹＡＧレーザー（エネルギの集中する光線）を使用し、照射エネルギが５Ｊ、照射時間が２．５ｍｓ、焦点がジャストフォーカスとしている。そして、径方向に略垂直に図１（ｃ）中矢印Ａで示す方向に、レーザーを当てている。
【００２８】
そして、上記構成によれば、中心電極３の孔３２１の底面３２１ａと、チップ５の脚部５１の先端部５１１とを全面的に溶接することにより、孔３２１の底面３２１ａと、脚部５１の先端部５１１との間の微小な間隙が埋められる。このため、孔３２１の底面３２１ａと、脚部５１の先端部５１１との間の熱伝導性を向上できる。
【００２９】
ここで、中心電極３のうち、チップ５に対向する部位において、孔３２１の底面３２１ａは、孔３２１の側周面に比べて温度が低いため、この底面３２１ａと、チップ５の脚部５１の先端部５１１との間の熱伝導性を向上することにより、チップ５の熱を、中心電極３側へ効率よく逃がすことができる。
従って、チップ５の異常消耗を抑制でき、スパークプラグ１０の要求電圧が高くなることを抑制できるので、点火ミスの多発を抑制でき、このスパークプラグ１０の寿命を長くできる。
【００３０】
また、中心電極３およびチップ５を溶融させてなる溶融部７は、中心電極３の熱膨張率とチップ５の熱膨張率の間の熱膨張率を有する。よって、この溶融部７により、スパークプラグ１０の使用時において、チップ５と中心電極３の先端部３ａとの界面近傍にかかる熱応力を緩和でき、チップ５が中心電極３の先端部３ａから剥離するのを抑制できる。
【００３１】
以下に、脚部５１の長さＬと孔３２１の深さＤとの差（Ｌ−Ｄ）と、スパークプラグ１０の要求電圧との関係を評価した結果について説明する。
まず、差（Ｌ−Ｄ）が、−１．０ｍｍ、−０．２５ｍｍ、０．０ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍのものをそれぞれ６個ずつ用意し、上記した抵抗溶接、レーザー溶接の順で、チップ５を中心電極３に固定した。
【００３２】
そして、これらスパークプラグ１０を、１２気筒、４５００ｃｃガスエンジンに取り付け、このガスエンジンを、スロットル全開（エンジン回転数＝１５００ｒｐｍ）条件で２０００時間作動させた後の、スパークプラグ１０の要求電圧を測定した。この結果を図３のグラフに示す。なお、図３のグラフにおいて、６個のスパークプラグ１０の要求電圧のばらつき幅を、矢印で示し、それらの平均値を白丸で示してある。また、この評価に用いた全てのスパークプラグ１０の初期（エンジン取付直後）の要求電圧は約−２０ｋＶであった。
【００３３】
この結果、差（Ｌ−Ｄ）が０．０ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍのスパークプラグ１０によれば、差（Ｌ−Ｄ）が−１．０ｍｍ、−０．２５ｍｍのスパークプラグ１０に比べて要求電圧の上昇を抑制でき、ひいては、スパークプラグ１０の寿命を長くできることがわかった。
なお、上記差（Ｌ−Ｄ）が１．０ｍｍより大きなスパークプラグ１０に関しては、中心電極３の先端部３ａが径方向に膨らむように変形して、チップ５が中心電極３の先端部３ａの所定位置に配置されていないものが多々形成されることが確認されている。
【００３４】
また、差（Ｌ−Ｄ）が−１．０ｍｍ、−０．２５ｍｍのスパークプラグ１０に関しては、抵抗溶接時に、チップ５の大径部５２と中心電極３の先端部３ａとが強く圧接し、この圧接部位が主に発熱して溶接されている。よって、脚部５１の先端部５１１と孔３２１の底面３２１ａとの間の間隙を確実に埋めることができず、チップ５の熱引けが悪いものである、と考えられる。
【００３５】
（第２の実施形態）
本実施形態では、図４に示すように、溶融部７が、チップ５の大径部５２および中心電極３の先端部３ａにかけて形成されている。このような形態のスパークプラグ１０について、上記評価と同様の評価を行なった結果、上記第１の実施形態と同様の理由により、上記差（Ｌ−Ｄ）を０．０ｍｍ〜１．０ｍｍとするのが好ましい、ということがわかった。
【００３６】
（第３の実施形態）
本実施形態では、図５（ａ）に示すように、中心電極３の孔３２１の底面３２１ａに、円柱状の導電部材８を配置した後、図５（ｂ）に示すように、この導電部材８の上面８１に脚部５１を押しつけた状態で、抵抗溶接を施している。導電部材８は、チップ５の線膨張率と中心電極３の線膨張率の間の線膨張率を有する材料で、かつ、チップ５よりも融点が低い材料、例えばニッケル合金材料、Ｐｔ、Ｉｒ合金材料等からなる。
【００３７】
ここで、導電部材８の上面８１により、請求項でいう孔３２１の底面部を構成しており、中心電極３の先端面から、導電部材８の上面８１までの長さを、請求項でいう孔３２１の深さＤとしている。また、孔３２１の深さＤおよび脚部５１の長さＬは、差（Ｌ−Ｄ）が、例えば０．８ｍｍとなるように設定されている。
そして、上記抵抗溶接により、孔３２１の底面３２１ａおよび導電部材８が主に溶融し、図５（ｃ）に示すように、孔３２１の底面３２１ａと導電部材８の底面、および、導電部材８の上面８１と脚部５１の先端部５１１が一体化される。その後、レーザーを図５（ｃ）中矢印Ａで示す方向に当てることにより、図５（ｄ）に示すように、溶融部７が形成される。
【００３８】
これによれば、溶融部７だけでなく、導電部材８によっても、チップ５と中心電極３との界面にかかる熱応力を効果的に緩和できるので、チップ５が中心電極３から剥離することを効果的に抑制できる。
（他の実施形態）
上記実施形態では、大径部５２の表面に十字状の溝５３を形成していたが、この形状に限定されることはなく、円形状であってもよいし、スポーク状であってもよい。また、溝５３を廃止してもよい。
【００３９】
また、上記実施形態では、溝５３は断面コ字状であったが、断面Ｖ字状であってもよい。なお、溝５３のエッジ部５４は、直角より鈍角的でも鋭角的でもよい。
また、上記実施形態では、大径部５２の径が２．７ｍｍのチップ５を用いていたが、これより大きくても小さくてもよく、例えば、従来技術と同様のチップ５（大径部５２の径が１．８ｍｍ）を用いてもよい。
【００４０】
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ーを用いていたが、他に電子ビーム等を用いてもよい。
また、上記第１の実施形態では、図１（ｃ）に示すように、中心電極３の先端部３ａに大径部５が当接することにより、上記入り込み量を上記差（Ｌ−Ｄ）程度に規制していたが、大径部５を当接させないで、抵抗溶接の投入電流Ｉや圧力Ｐを調整することにより、上記入り込み量を上記差（Ｌ−Ｄ）程度に規制してもよい。このときは、脚部５１の長さＬおよび孔３２１の深さＤは、上記差（Ｌ−Ｄ）が１．０ｍｍより大きくなるように設定されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係わるスパークプラグの製造工程を示す要部断面図であり、（ｅ）はチップの上面図である。
【図２】本発明の実施形態に係わるスパークプラグの半断面図である。
【図３】脚部の長さＬと孔の深さＤとの差（Ｌ−Ｄ）と、ガスエンジンで２０００時間使用した後のスパークプラグの要求電圧との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施形態に係わるスパークプラグの要部断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係わるスパークプラグの製造工程を示す要部断面図である。
【図６】従来技術に係わるスパークプラグの要部断面図である。
【符号の説明】
３…中心電極、３ａ…中心電極の先端部、３２１…孔、３２１ａ…孔の底面、５…チップ、５１…脚部、５１１…脚部の先端部、５２…大径部、７…溶融部。
Claims (4)
- 導電材料からなり、先端部（３ａ）に孔（３２１）を備えた中心電極（３）と、
前記孔（３２１）に挿入される脚部（５１）、および、前記脚部（５１）よりも大径な大径部（５２）を同軸的に一体に備え、前記中心電極（３）よりも高融点な導電材料からなるチップ（５）とを具備し、
前記中心電極（３）の前記孔（３２１）の底面部（３２１ａ、８１）と、前記チップ（５）の前記脚部（５１）の先端部（５１１）とを溶接して、前記底面部（３２１ａ、８１）と前記先端部（５１１）とが一体化されており、
前記チップ（５）と前記中心電極（３）との界面近傍には、前記チップ（５）および前記中心電極（３）を溶融して前記チップ（５）と前記中心電極（３）とを一体に接合する溶融部（７）が形成されているスパークプラグの製造方法であって、
前記チップ（５）の前記脚部（５１）の長さＬと、前記中心電極（３）の前記孔（３２１）の深さＤとの差（Ｌ−Ｄ）が、０より大きく、かつ、１．０ｍｍ以下となるように設定されたチップ（５）および中心電極（３）を用い、
前記中心電極（３）の前記孔（３２１）の前記底面部（３２１ａ、８１）と前記チップ（５）の前記脚部（５１）の前記先端部（５１１）とを溶接するとともに、前記中心電極（３）の前記先端部（３ａ）と前記大径部（５２）とを当接させる第１工程と、
前記第１工程の後、前記チップ（５）と前記中心電極（３）との界面近傍に、前記溶融部（７）を形成する第２工程とを含むことを特徴とするスパークプラグの製造方法。 - 前記第１工程において、前記中心電極（３）の前記孔（３２１）の底面部（３２１ａ）に、前記チップ（５）よりも融点の低い材料からなる導電部材（８）を配置し、
前記第１工程は、前記導電部材（８）の表面（８１）と、前記チップ（５）の前記脚部（５１）の前記先端部（５１１）とを溶接することを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグの製造方法。 - 前記中心電極（３）の前記孔（３２１）の前記底面部（３２１ａ、８１）と前記チップ（５）の前記脚部（５１）の前記先端部（５１１）とを、抵抗溶接により一体化することを特徴とする請求項１または２に記載のスパークプラグの製造方法。
- 前記チップ（５）と前記中心電極（３）との界面近傍に、エネルギの集中する光線を当てることにより、前記溶融部（７）を形成することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のスパークプラグの製造方法。
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