JP4001463B2 - スパークプラグの製造方法及びスパークプラグの製造装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスパークプラグの製造方法及びスパークプラグの製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の点火用に使用されるスパークプラグにおいては、近年、耐火花消耗性向上のために、Ｎｉ基あるいはＦｅ基の耐熱合金で構成された中心電極の先端にＰｔやＩｒ等を主体とする貴金属チップを溶接して貴金属発火部を形成したタイプのものが使用されている。例えば接地電極と対向して火花放電ギャップを形成することになる中心電極の先端面に貴金属チップを接合する場合、その製造方法として、円板状の貴金属チップを中心電極の先端面（チップ被固着面）に重ね合わせ、中心電極を回転させながら貴金属チップの外周に沿ってレーザー光を照射することにより、全周レーザー溶接部を形成する方法が提案されている（例えば、特開平６−４５０５０号、特開平１０−１１２３７４号の各公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなスパークプラグの製造方法においては、例えば、ＹＡＧレーザー等によるパルス状レーザー光を用い、貴金属チップと中心電極のチップ被固着面形成部位とにまたがるレーザー溶接部を貴金属チップの外周に沿って形成するようにしている。しかしながら、チップ材質であるＰｔやＩｒ等の貴金属ないしそれらを主体とする貴金属合金と、電極材質であるＮｉあるいはＦｅ系の合金とは、融点が数１００〜１０００℃程度も異なり、僅かな溶接条件のずれが生じても、貴金属ないし貴金属合金の溶け不足あるいは電極合金の過剰溶融などにより、健全な溶接部が形成できなくなってしまうことにつながる。また、貴金属チップ及び中心電極の材質など、発火部の仕様が異なるスパークプラグを同一のラインにて製造しようとする場合、仕様に応じて溶接部の品質も大きく影響されやすくなる。
【０００４】
例えば溶接条件のずれにより、溶接部の深さが不足すると、中心電極と貴金属チップとの溶接強度、ひいては形成される発火部の耐剥離強度が損なわれる問題がある。また、チップ厚さ方向における溶接部の幅が極端に増大したり、溶接部の形成位置が放電面側に偏ったりすると、中心電極の軸線方向においてチップ放電面から溶接部の縁までの最短距離、すなわち発火部厚さが不足し、発火部が少し消耗しただけで溶接部が放電面に露出して寿命低下に直結する問題がある。
【０００５】
本発明の課題は、溶接部深さや発火部厚さの不足を生じにくく、ひいては発火部の溶接強度や寿命を向上できるスパークプラグの製造方法及び装置と、それによって実現可能となる高性能のスパークプラグとを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記の課題を解決するために、本発明のスパークプラグの製造方法は、
中心電極を有したスパークプラグワークの、中心電極の軸線方向における先端に形成されたチップ被固着面に貴金属チップを重ね合わせて重ね合せ組立体を作り、該重ね合せ組立体に対しレーザービームを照射して、貴金属チップとチップ被固着面の形成部位とにまたがるレーザー溶接部を形成することにより、放電面を有する貴金属発火部を形成するスパークプラグの製造方法において、
中心電極の軸線方向におけるチップ被固着面の位置を検出し、その検出結果に基づいて、軸線方向におけるレーザービームの重ね合せ組立体への相対的な照射位置調整を行なうことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明のスパークプラグの製造装置は、
中心電極のチップ被固着面に貴金属チップを重ね合わせた重ね合せ組立体に対し、貴金属チップとチップ被固着面の形成部位とにまたがるレーザー溶接部を形成するために、該重ね合せ組立体に対しレーザービームを照射するレーザー照射ユニットと、
重ね合わせ方向におけるチップ被固着面の位置を検出する位置検出機構と、
チップ被固着面の位置検出結果に基づいて、軸線方向におけるレーザービームの重ね合せ組立体への相対的な照射位置調整を行なう照射位置調整機構と、
を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明者らが鋭意検討したところによると、貴金属チップを中心電極に接合する全周溶接部をレーザー溶接により形成する際に、レーザービームの照射位置のばらつきが、溶接部深さや発火部厚さが不足する要因であることが判明した。そして、さらに検討を重ねた結果、中心電極の軸線方向において、チップ被固着面の位置に対するレーザービームの相対的な照射位置を管理することが、上記不具合の解消に有効であることを見出して、本発明を完成するに至ったのである。具体的には、中心電極の軸線方向におけるチップ被固着面の位置を検出し、その検出結果に基づいて、軸線方向におけるレーザービームの重ね合せ組立体への相対的な照射位置調整を行なうこと、つまり、レーザー溶接部を形成する際に、検出されたチップ被固着面の位置を基準として、レーザービームの照射位置を、その都度、予め定められた目標位置に合わせこむことにより、貴金属チップとチップ被固着面の形成部位とにまたがって形成されるレーザー溶接部の深さや発火部厚さが常に最適の値に確保され、発火部の耐剥離強度向上及び寿命延長に顕著な効果が発揮される。
【０００９】
レーザービームの照射位置は、貴金属チップ及び電極の材質といった発火部の仕様が異なる場合、例えば仕様毎に最適の溶接部の深さや発火部厚さが得られる位置を実験的に予め見出しておき、スパークプラグの製造品種を変更する場合は、その品種の仕様に応じた最適のレーザービーム照射位置を採用するようにする。例えば、Ｐｔ系の貴金属チップとＩｒ系の貴金属チップとでは、後者のほうが融点において数１００℃も高いため、レーザービームの照射位置を同じに設定した場合、Ｉｒ系の貴金属チップのほうが溶融しにくく、形成される溶接部の性状も大幅に異なるものとなる。従って、貴金属チップ及び／又は中心電極の材質に応じてレーザービームの照射位置を、チップ被固着面との相対的な位置関係が材質毎に固有のものとなるように定められた設定位置に位置決め調整することが、均一な深さあるいは幅の溶接部を得る上で極めて有効である。なお、発火部の仕様において、貴金属チップ及び電極の外径や高さなどの寸法パラメータが、最適の溶接部の深さや発火部厚さに影響する場合は、材質とともにこれら寸法パラメータに関しても、最適のレーザービーム照射位置を見出しておき、個々の仕様に応じてこれに適したレーザービーム照射位置を採用することが望ましい。
【００１０】
例えば、中心電極のチップ被固着面形成部位がＮｉ又はＦｅを主成分に構成され、貴金属チップがＩｒ、Ｒｈ及びＰｔのいずれかを主成分に構成される場合、レーザー溶接部は、貴金属チップの厚さ方向において放電面に到達しない全周溶接部として形成され、貴金属発火部の中心軸線を含む断面において、全周レーザー溶接部の溶け込み深さ（以下、溶接部深さともいう）をｄとし、溶接部幅をｗとしたとき、ｄ／ｗが０．３５より大きくなるように調整されているのがよい。これによると、溶接部幅ｗが相対的に小さく、また溶接部深さｄが相対的に大きく形成されるので、接合面積が増大し、発火部の溶接強度ひいては耐剥離性能を高めることができる。また、ｄ／ｗがこのような数値範囲となるようにレーザービームの照射位置が調整されることで、結果的に溶接部深さｄや溶接部幅ｗのばらつきを小さく抑えることが可能となり、品質のそろったスパークプラグが得やすくなる利点も生ずる。ただし、ｄ／ｗが０．３５未満になると、該効果の顕著性が損なわれる。他方、貴金属チップ及び中心電極の両方にまたがる均一な溶接部を形成する観点において、ｄ／ｗを極端に大きくすることは却って不利に作用する場合がある。また、ｄ／ｗを小さくするには、高エネルギーのレーザービームスポットを相当縮小しなければならないが、実用上これには一定の限界がある。これらの観点から、ｄ／ｗは望ましくは１以下に設定するのがよい。さらに、ｄ／ｗは、望ましくは０．５５以上とするのがよい。
【００１１】
一方、チップ被固着面位置を基準として、レーザービームの照射位置を、その都度予め定められた目標位置に合わせこむようにすることで、溶接幅ｗがばらつきなく形成できるようになれば、その分、発火部厚さｈを大きく確保するできるようになる。このような場合には、発火部の消耗に伴って、全周レーザー溶接部が発火部の放電面へ露出する現象が生じにくくなる。したがって、全周レーザー溶接部の露出に伴う発火部の急激な消耗進行が抑制され、これによって発火部の耐久性が向上する。具体的には、チップ厚さＨと発火部厚さｈとの比ｈ／Ｈにおいて、これを１／３以上に容易に高めることが可能となる。使用するチップの厚さＨの実質的に１／３以上を、有効な発火部厚さｈとして使用できるので、発火部の寿命向上に大きく寄与できる。ただし、ｈ／Ｈが極端に小さくなることは、溶接部によるチップの接合代を十分に確保できなくなることを意味し、発火部の接合強度低下につながる場合がある。従って、この観点において、ｈ／Ｈの値は９／１０程度を上限として定めることが望ましい。なお、ｈ／Ｈの値は、より望ましくは１／２以上とするのがよい。
【００１２】
そして、上記のようなｄ／ｗ比あるいはｈ／Ｈ比を実現するには、貴金属チップ側の構成金属の溶融割合が４０〜６０体積％となるように全周レーザー溶接部を形成することが望ましい。また、これにより、以下のようなスパークプラグを実現できる。すなわち、該スパークプラグは、中心電極の軸線方向における先端に形成されたチップ被固着面に貴金属チップを重ね合わせ、貴金属チップとチップ被固着面の形成部位とにまたがるレーザー溶接部を形成することにより、貴金属チップに基づく放電面を有する貴金属発火部が形成されてなり
中心電極のチップ被固着面形成部位がＮｉ又はＦｅを主成分に構成され、
貴金属チップがＩｒ、Ｒｈ及びＰｔのいずれかを主成分に構成され、
レーザー溶接部は、貴金属チップの厚さ方向において放電面に到達しない全周溶接部であり、貴金属チップ側の構成金属の溶融割合が４０〜６０体積％であることを特徴とする。
【００１３】
貴金属チップ側の構成金属の溶融割合が４０体積％未満になると、溶接部深さｄが不足しがちとなり、ｄ／ｗの値も上記望ましい数値範囲に確保することが困難となって、発火部の耐剥離性能の低下を招くことにつながる。また、貴金属チップ側の構成金属の溶融割合が減少すれば、電極側の構成金属の溶融割合は逆に増大するが、これは、チップ被固着面から中心電極側にかなり偏った位置にレーザービームの照射位置を設定することを意味し、溶接部も中心電極側に寄って形成される。該傾向が甚だしくなると、溶接部による貴金属チップの接合代が不足し、発火部の接合強度低下につながる場合がある。他方、上記溶融割合が６０体積％を超えると、高融点である貴金属チップ側の溶融量を増大させるために、レーザービームによる入熱量の増加を余儀なくされ、溶接部幅ｗの過剰な増大ひいては発火部厚さｈ（ひいてはｈ／Ｈ）の不足につながる。また、溶接部深さｄの不足にもつながりやすい。
【００１４】
いうまでもなく、貴金属チップ側の構成金属の溶融割合を上記の範囲に調整するためには、重ね合わせ組立体に対するレーザービームの照射位置の調整が不可欠である。換言すれば、レーザービームの照射位置は、溶融割合を上記の範囲のものとなるように調整を行なう。ただし、好適な照射位置は、発火部（貴金属チップ）の材質や寸法に応じて異なるため、一義的な数値範囲によって規定することはできない。具体例については、発明の実施の形態にて示す。
【００１５】
なお、本明細書の特許請求の範囲において各要件に付与した符号は、添付の図面の対応部分に付された符号を援用して用いたものであるが、あくまで発明の理解を容易にするために付与したものであり、特許請求の範囲における各構成要件の概念を何ら限定するものではない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。図１に示す本発明の一例たるスパークプラグ１００は、筒状の主体金具１、先端部２１が突出するようにその主体金具１の内側に嵌め込まれた絶縁体２、先端に形成された貴金属発火部（以下、単に発火部ともいう）３１を突出させた状態で絶縁体２の内側に設けられた中心電極３、及び主体金具１に一端が溶接等により結合されるとともに他端側が側方に曲げ返されて、その側面が中心電極３の先端部と対向するように配置された接地電極４等を備えている。また、接地電極４には上記発火部３１に対向する貴金属発火部（以下、単に発火部ともいう）３２が形成されており、それら発火部３１と、対向する発火部３２との間の隙間が火花放電ギャップｇとされている。
【００１７】
なお本明細書でいう「発火部」とは、接合された貴金属チップのうち、溶接による組成変動の影響を受けていない部分（例えば、溶接により接地電極ないし中心電極の材料と合金化した部分を除く残余の部分）を指すものとする。また、「主成分」（「主に〜構成される」あるいは「主体に〜構成される」等も同義）とは、着目している材料中にて、最も重量含有率の高い成分を意味する。
【００１８】
絶縁体２は、例えばアルミナあるいは窒化アルミニウム等のセラミック焼結体により構成され、その内部には自身の軸方向に沿って中心電極３及び端子金具８を嵌め込むための孔部６を有している。また、主体金具１は、低炭素鋼等の金属により円筒状に形成されており、スパークプラグ１００のハウジングを構成するとともに、その外周面には、プラグ１００を図示しないエンジンブロックに取り付けるためのねじ部７が形成されている。
【００１９】
なお、対向する発火部３２については、これを省略する構成としてもよい。この場合には、発火部３１と、発火部を有さない接地電極４の側面との間に火花放電ギャップｇが形成されることとなる。
【００２０】
中心電極３及び接地電極４のチップ被固着面形成部位、この実施例では少なくともその表層部がＮｉ又はＦｅを主成分とする耐熱合金にて構成されている。Ｎｉ又はＦｅを主成分とする耐熱合金としては、次のようものが使用可能である。▲１▼Ｎｉ基耐熱合金：本明細書では、Ｎｉを４０〜８５質量％含有し、残部の主体が、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｔｉ及びＦｅの１種又は２種以上からなる耐熱合金を総称する。具体的には、次のようなものが使用できる（いずれも商品名；なお、合金組成については、文献（改訂３版金属データブック（丸善）、ｐ１３８）に記載されているので、詳細な説明は行なわない）；
ASTROLOY、CABOT 214、D-979、HASTELLOY C22、HASTELLOYC276、HASTELLOY G30、HASTELLOY S、HASTELLOY X、HAYNES 230、INCONEL 587、INCONEL 597、INCONEL600、INCONEL 601、INCONEL 617、INCONEL 625、INCONEL 706、INCONEL 718、INCONEL X750、KSN、M-252、NIMONIC75、NIMONIC 80A、NIMONIC 90、NIMONIC 105、NIMONIC 115、NIMONIC 263、NIMONIC 942、NIMONICPE11、NIMONIC PE16、NIMONIC PK33、PYROMET 860、RENE 41、RENE 95、SSS 113MA、UDIMET 400、UDIMET500、UDIMET 520、UDIMET 630、UDIMET 700、UDIMET 710、UDIMET 720、UNITEP AF2-1 DA6、WASPALOY。
【００２１】
▲２▼Ｆｅ基耐熱合金：本明細書では、Ｆｅを２０〜６０質量％含有し、残部の主体が、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｔｉ及びＮｉの１種又は２種以上からなる耐熱合金を総称する。具体的には、次のようなものが使用できる（いずれも商品名；なお、合金組成については、文献（改訂３版金属データブック（丸善）、ｐ１３８）に記載されているので、詳細な説明は行なわない）；
A-286、ALLOY 901、DISCALOY、HAYNES 556、INCOLOY800、INCOLOY 801、INCOLOY 802、INCOLOY 807、INCOLOY 825、INCOLOY 903、INCOLOY 907、INCOLOY909、N-155、PYROMET CTX-1、PYROMET CTX-3、S-590、V-57、PYROMET CTX-1、16-25-6、17-14CuMo、19-9DL、20-Cb3。
【００２２】
一方、上記発火部３１及び対向する発火部３２は、Ｉｒ、Ｐｔ及びＲｈのいずれかを主成分とする貴金属を主体に構成されている。これらの貴金属の使用により、中心電極の温度が上昇しやすい環境下においても、発火部の耐消耗性を良好なものとすることができる。また、上記のような耐熱合金を母材とする中心電極３及び接地電極４に対する溶接性も良好である。例えばＰｔをベースにした貴金属を使用する場合には、Ｐｔ単体の他、Ｐｔ−Ｎｉ合金（例えばＰｔ−１〜３０質量％Ｎｉ合金）、Ｐｔ−Ｉｒ合金（例えばＰｔ−１〜２０質量％Ｉｒ合金）、Ｐｔ−Ｉｒ−Ｎｉ合金等を好適に使用できる。また、Ｉｒを主成分とするものとしては、Ｉｒ−Ｒｕ合金（例えばＩｒ−１〜３０質量％Ｒｕ合金）、Ｉｒ−Ｐｔ合金（例えばＩｒ−１〜１０質量％Ｐｔ合金）、Ｉｒ−Ｒｈ合金（例えばＩｒ−５〜２５質量％Ｒｈ合金）、Ｉｒ−Ｒｈ−Ｎｉ合金（例えば、Ｉｒ−１〜４０質量％Ｒｈ−０．５〜８質量％Ｎｉ合金）等を使用できる。
【００２３】
なお、Ｉｒ系の貴金属材料を使用する場合には、元素周期律表の３Ａ族（いわゆる希土類元素）及び４Ａ族（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）に属する金属元素の酸化物（複合酸化物を含む）を０．１〜１５質量％の範囲内で含有させることができる。これにより、Ｉｒ成分の酸化・揮発を効果的に抑制でき、ひいては発火部の耐火花消耗性を向上させることができる。上記酸化物としてはＹ_２Ｏ_３が好適に使用されるが、このほかにもＬａ_２Ｏ_３、ＴｈＯ_２、ＺｒＯ_２等を好ましく使用することができる。この場合、金属成分はＩｒ合金のほか、Ｉｒ単体を使用してもよい。
【００２４】
中心電極３は、図２に示すように、先端側が円錐台状のテーパ面３ｔにより縮径されるとともに、その先端面３ｓに上記発火部３１を構成する合金組成からなる円板状の貴金属チップ３１'を重ね合わせる。さらにその接合面外縁部に沿ってレーザー溶接により全周レーザー溶接部（以下、単に溶接部ともいう）１０を形成して貴金属チップ３１'を固着することにより発火部３１が形成される。また、対向する発火部３２は、発火部３１に対応する位置において接地電極４に貴金属チップを位置合わせし、その外縁部に沿って同様に溶接部を形成してこれを固着することにより形成される。ただし、中心電極３側の発火部３１をＩｒ系金属にて構成し、接地電極４側の発火部３２をＰｔ系金属にて構成する場合、後者を抵抗溶接接合にて形成することも可能である。上記で用いられる貴金属チップは、例えば直径Ｄが０．４〜１．２ｍｍ、厚さＨが０．５〜１．５ｍｍのものを使用する。
【００２５】
以下、中心電極３側の発火部３１を、レーザー溶接を用いて形成する方法につき、以下に詳しく説明する。図２（ａ）に示すように、中心電極３の先端面３ｓをチップ被固着面として、ここにチップ径Ｄ、チップ厚さＨの貴金属チップ３１'を重ね合わせて重ね合せ組立体１７０（スパークプラグワークＷ）を作り、（ｂ）及び（ｃ）に示すように、その重ね合せ組立体１７０に対しレーザービームＬＢを照射して、貴金属チップ３１'とチップ被固着面とにまたがり、かつ貴金属チップ３１'の厚さ方向において放電面３１ａ（図７参照）に到達しない全周レーザー溶接部１０をチップ外周面周方向に沿って形成する。
【００２６】
貴金属チップ３１'は円板状あるいは円柱状であり、図２（ｂ）に示すように、該貴金属チップ３１と中心電極３との重ね合せ組立体１７０を、レーザー照射ユニット２００（図３参照）の出射光学部に対しチップ３１’（中心電極３）の中心軸線Ｏの周りにおいて相対的に回転させながら、重ね合せ組立体１７０に向けて、パルス状のレーザービームＬＢのスポット内にチップ被固着面（この場合、中心電極３の先端面）とチップ外周面との交差縁Ｑが入り、かつチップ被固着面に対する照射角度θが−５゜〜＋６０゜の範囲（水平より上方側を＋とする；例えば＋４５゜）となるように照射する。この場合、組立体１７０又はレーザー照射ユニット２００の一方のみを回転させるようにしてもよいし、双方ともに（例えば互いに逆方向に）回転させることも可能である。
【００２７】
この場合、その回転速度は以下のように調整することが望ましい。まず、重ね合せ組立体１７０とレーザー照射ユニット２００との相対回転速度は、図２のようにレーザー照射ユニット２００を１つのみ使用する場合には、１０ｒｐｍ以上（望ましくは６０ｒｐｍ以上、さらに望ましくは１２０ｒｐｍ以上）とするのがよい。全周レーザー溶接を行なうためには、重ね合せ組立体１７０とレーザー照射ユニット２００とを最低１周分は相対回転させなければならないが、その相対回転速度が１０ｒｐｍ未満になると、１周分の溶接時間ひいては１個のスパークプラグを製造するためのピースタイムが長くなる場合がある。なお、上記相対回転速度の上限値については、重ね合せ組立体１７０を回転させる場合、溶接時に生ずる溶融金属の遠心力による変形を防止するために、１５０ｒｐｍ程度に留めるのがよい。
【００２８】
そして、本発明においては、中心電極３の軸線Ｏの方向におけるチップ被固着面３ｓの位置を検出し、その検出結果に基づいて、軸線Ｏの方向におけるレーザービームＬＢの重ね合せ組立体１７０への相対的な照射位置調整を行なう。つまり、図２（ｃ）に示すように、溶接部１０を形成する際に、検出されたチップ被固着面３ｓの位置を基準として、レーザービームＬＢの照射位置を、その都度、予め定められた照射位置δ（チップ被固着面３ｓを原点とし、チップ３１’側を正、中心電極３側を負とする）に合わせこむことにより、図８に示すように、形成される全周溶接部１０の深さｄや発火部厚さｈが常に最適の値に確保され、発火部３１の耐剥離強度向上及び寿命延長に顕著な効果が発揮される。
【００２９】
図３は、本発明に係るのスパークプラグ製造装置３００の一例の要部を示すものである。該装置３００においては、位置検出機構として撮影用のカメラ５０が設けられ、該カメラ５０により、チップ被固着面３ｓを含む視野により重ね合せ組立体１７０の画像撮影を行い、その撮影画像に基づいてチップ被固着面３ｓの位置を測定するようにしている。撮影による位置検出は迅速かつ高精度であり、非接触方式であることとも相俟って、検出工程の付加がスパークプラグの製造工程全体の能率低下を招きにくい利点がある。ここでは、チップ被固着面３ｓのエッジ線決定アルゴリズムの簡略化を図るために、画像撮影を、チップ被固着面に対してほぼ平行な光軸ξを有するカメラ（撮像装置）により行なっている。
【００３０】
なお、チップ被固着面３ｓ側から測定プローブを適用する形にて、接触式測長器やレーザー測長器を用いて位置検出を行なうなど、画像撮影以外の検出方法を採用することも可能である。
【００３１】
次に、レーザービームＬＢの照射位置調整は、レーザー照射ユニット２００と重ね合わせ組立体１７０との軸線Ｏの方向における相対移動により行なうようにしている。このようにすることで、レーザービームＬＢの照射位置調整を簡単かつ正確に行なうことができる。この場合、重ね合わせ組立て体１７０とレーザー照射ユニット２００とのいずれを移動させてもよいが、図３に示すように、レーザー照射ユニット２００のみを軸線Ｏの方向に移動させて行なうようにしておくと、重ね合わせ組立て体１７０の特定部分、例えばチップ固着面３ｓを基準位置に固定することで、レーザービームＬＢの照射位置、ひいてはレーザー照射ユニット２００の位置決め位置を、上記基準位置からの距離により一義的に表すことができるので、工程管理上便利である。
【００３２】
本実施形態では、図３に示すように、照射位置調整機構６５は、軸線Ｏの方向においてレーザー照射ユニット２００を昇降駆動するものである。駆動部はサーボモータ６１であり、その回転出力が、ねじ軸（ボールねじ含む）７０と変換機構６８とを介してレーザー照射ユニット２００の昇降駆動出力に変換される。変換機構６８は傾斜カムとして構成され、ねじ軸７０がサーボモータ６１により正逆両方向に回転駆動されると、これに螺合するカム６９が水平ガイド６９ｂに沿って進退移動し、他方、その傾斜面状のカム摺動面６９ａに当接する従動部材６７が、垂直ガイド６７ｂに沿って昇降移動する。カム６９の進退変位は、ねじ軸７０の回転量に応じて定まり、ねじ軸７０の回転が停止すれば従動部材６７の昇降も停止するとともに、該停止位置を保持する。
【００３３】
これにより、従動部材６７にベース７１を介して取り付けられたレーザー照射ユニット２００は、サーボモータ６１の回転により、任意の位置を保持可能に、かつ重ね合わせ組立体１７０の軸線Ｏ方向に昇降することとなる。なお、サーボモータ６１の回転角度位置、ひいてはレーザー照射ユニット２００の現在位置（つまり、レーザービームＬＢの照射位置である）は、サーボモータ７０に結合された回転センサ、ここではパルスジェネレータ（以下、ＰＧと略記する）６２により検出される。また、レーザー照射ユニット２００は、ベース７１に対し旋回軸７３を介して旋回可能かつ任意の角度位置を保持可能に設けられたアーム７２に取り付けられており、該アーム７２の旋回角度によりレーザービームＬＢの入射角度を任意に調整できるようになっている。
【００３４】
なお、レーザー照射ユニットは、レーザー光発生部からのレーザービームを、反射鏡に一旦反射させた後、重ね合わせ組立体に向けて出射させる構造とすることも可能である。この場合、反射鏡を回転可能としておき、その回転角度位置に応じて、反射されたレーザービームの出射方向を変更できるようにすることができる。この構成によると、レーザー照射ユニットの位置を固定しつつ、反射鏡の角度調整を行なうことにより、重ね合わせ組立体に対するレーザービームの照射位置を変更することができる。
【００３５】
図４は、スパークプラグ製造装置３００の電気的構成の一例を示すブロック図であり、出入力部５５とこれに接続されたＣＰＵ５６、ＲＯＭ５７及びＲＡＭ５８を有する制御用コンピュータ４９を主体に構成されている。カメラ５０はＣＣＤカメラであり、レンズ等からなる光学系５２を介して撮影された画像が、画像センサである二次元ＣＣＤセンサ５１により画像信号とされ、出入力部５５を介してコンピュータ４９に入力されるとともに、ＲＡＭ５８内の画像メモリに画像データとして記憶される。
【００３６】
一方、照射位置調整機構６５の駆動部であるサーボモータ６１は、信号処理部及び駆動出力部を有したサーボコントローラ６０を介してコンピュータ４９に接続されている。また、ＰＧ６２の出力はカウンタ６３により計測され、レーザービームＬＢの現在位置情報としてサーボコントローラ６０に入力される。コンピュータ４９は、撮影により得られた画像データを解析してチップ被固着面３ｓ（図３）の位置を算出する。
【００３７】
チップ被固着面３ｓの位置（エッジ位置）は、チップ被固着面の外形線を含む中心電極のマスター画像を予め用意しておき、撮影画像においてマスター画像と適合する部分を検索するとともに、その検索結果に基づいて決定することができる。こうしたパターンマッチングによるエッジ検出方法は周知であるので、詳細な説明は省略する。なお、図４に示すように、種別（品番）の異なるスパークプラグワークＷに対し、チップ被固着面の外形線を含む中心電極のマスター画像を該種別毎に用意して記憶装置５９に記憶しておき、処理すべきスパークプラグワークＷの種別変更に伴い、該種別に対応するマスター画像を選択して使用するようにすれば、複数品種のスパークプラグワークＷの処理を同一の製造装置３００により処理できるので能率的である。
【００３８】
上記のように算出されたチップ被固着面位置は、ＲＡＭ５８内のチップ被固着面位置メモリに記憶される。他方、ＨＤＤ等からなる記憶装置５９には、チップ被固着面３ｓからの軸線Ｏ方向の距離の形で、レーザービームＬＢの照射位置δが制御パラメータとして記憶されている。コンピュータ４９は、対応する品番の制御パラメータを読み出して（ＲＡＭ５８の制御パラメータメモリにロードされる）、その照射位置δの値と、すでに算出されているチップ被固着面位置の値とを用いて、レーザービームＬＢ（レーザー照射ユニット２００）の移動目標位置を演算・決定し、サーボコントローラ６０に出力する。サーボコントローラ６０は、移動目標位置にレーザービームＬＢが移動するように、カウンタ６３（ＰＧ６２）の出力を参照しつつサーボモータ６１を所定の駆動パターンに従い駆動する。
【００３９】
なお、コンピュータ４９の処理動作は、ＲＯＭ５７に記憶された制御・解析プログラムにより、ＲＡＭ５８をワークエリアとして実行されるものである。また、上記の態様では、移動目標位置をサーボコントローラ６０に出力後は、その移動後の結果がフィードバックされないオープンループ型制御を採用しているが、カウンタ６３からのレーザービームＬＢの現在位置情報をコンピュータ４９にフィードバックし、これが設定された移動目標位置に一致するまでレーザー照射ユニット２００の移動を継続するようにしてもよい。
【００４０】
次に、チップ被固着面３ｓの位置検出は、チップ被固着面３ｓへの貴金属チップ３１’の重ね合わせ後に行なうこともできるが、チップ３１’と中心電極３とはいずれも似通った金属光沢を呈するため、チップ被固着面３ｓの画像上での識別精度が低下することもありうる。従って、チップ被固着面３ｓへの貴金属チップ３１’の重ね合わせ前に検出を行なうようにすることで、チップ被固着面３ｓの位置検出精度を高めることができる。このとき、チップ被固着面３ｓの位置検出及びレーザー照射ユニット２００と中心電極３との相対位置決めを、チップ被固着面３ｓへの貴金属チップ３１’の重ね合わせ前に行なうようにすれば、その後、チップ被固着面３ｓへ貴金属チップ３１’を配置するだけで、すぐに溶接工程に移ることができるので、工程の能率化に有利である。
【００４１】
また、チップ被固着面３ｓの位置検出処理の簡略化を図るためには、前記した基準位置の固定化が有効であるが、具体的には、以下のようにすると一層効果的である。すなわち、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、予め位置固定された位置決め部材８０の位置決め面８０ａに対し、中心電極３のチップ被固着面３ｓを軸線Ｏの方向に押し付けて仮保持する。この実施形態では、昇降テーブル８４上にホルダ８３によりスパークプラグワークＷを立てた状態に保持し、その状態でエアシリンダ８２により昇降テーブル８４を上昇させてスパークプラグワークＷを位置決め面８０ａに押し付け保持させるようにしている。これにより、チップ被固着面３ｓの軸線Ｏ方向の位置は、基準位置を与える位置決め面８０ａにより常に一定に規定されることとなる。
【００４２】
そして、（ｃ）に示すように、その仮保持位置を維持した状態にてスパークプラグワークＷを本把持し、その本把持されたスパークプラグワークＷに対し、チップ被固着面３ｓの位置を検出して、その検出結果に基づきレーザービームの照射位置調整を行なう。本実施形態では、スパークプラグワークＷの主体金具を把持チャック８１により本把持し、（ｄ）に示すように、その状態で昇降テーブル８４を下降させてホルダ８３を退避させ、該本把持状態にあるスパークプラグワークＷの軸線Ｏ方向の位置を保ちつつ、レーザービームによる照射位置まで搬送を行なう。なお、ここでは仮保持されたスパークプラグワークＷを直接把持チャック８１により本把持するようにしているが、製造ラインにおける別の要請により、仮保持したスパークプラグワークを一旦別の把持チャックにより中間把持し（この場合、もちろん、軸線Ｏ方向において最初の仮保持位置が維持されることが前提である）、その中間把持されたスパークプラグワークをさらに本把持用のチャックにて本把持するようにしてもよい。中間把持は２段階以上に行なうこともできる。なお、この中間把持の実施に伴いスパークプラグワークの軸線Ｏ方向に位置ずれを生ずることもあるが、本把持状態にてチップ被固着面の位置を検出して、その検出結果に基づきレーザービームの照射位置調整を行なうようにすれば、そのような中間把持に伴う位置ずれの影響も受けにくくなる。
【００４３】
上記の方法によると、図６に示すように、軸線Ｏ方向の長さが異なる複数種類のスパークプラグワークＷ１，Ｗ２に対し、位置決め部材８０の位置決め面８０ａの固定位置を共通に設定することができる。つまり、品番の異なるスパークプラグワークＷを同一のラインにて処理する場合、ワーク毎に位置決め面８０ａの位置、つまり前記した基準位置を変更する必要がないので能率的であり、工程管理も楽である。
【００４４】
図７（ａ）〜（ｃ）は、上記のようにして製造されたスパークプラグの、発火部３１近傍を示すものである。すなわち、貴金属チップ３１’の周方向において、貴金属チップ３１’と中心電極３のテーパ面３ｔの先端縮径部位とにまたがり、かつ貴金属チップ３１’の厚さ方向において放電面３１ａに到達しない形で、図７（ｂ）及び（ｃ）に示すような溶接部深さ（溶け込み深さ）ｄ、溶接部幅ｗの全周レーザー溶接部１０が形成される。全周レーザー溶接部１０の形成に伴って、貴金属チップ３１’には放電面３１ａを有する発火部３１が形成され、放電面３１ａの外縁から全周レーザー溶接部１０の対応する端縁までの軸線Ｏ方向の最短距離が発火部厚さｈとなる。
【００４５】
そして、貴金属チップ３１’自体の軸線Ｏ方向の高さをＨとした場合、すでに述べた通り、発火部３１の接合強度確保及び耐剥離性向上と、長寿命化を図る観点において、ｄ／ｗは０．３５より大きく１以下となり、ｈ／Ｈは１／３以上９／１０以下の範囲となるように調整する。この場合、貴金属チップ３１’側の構成金属の溶融割合が４０〜６０体積％となるように全周レーザー溶接部１０を形成することが望ましく、重ね合わせ組立体１７０に対するレーザービームの照射位置δは、溶融割合が上記の範囲のものとなるように調整される。
【００４６】
本発明者らの検討によれば、レーザービームＬＢの照射位置により、溶接部１０の形態は図８のように変化することがわかっている。すなわち、軸線Ｏ方向にレーザービームＬＢの照射位置を変化させたとき、（ａ）に示すように、ある位置（以下、最大深さ位置）で溶接部深さｄは最大値ｄ0となる（なお、図８では、チップ被固着面３ｓの位置を最大深さ位置としているが、常にこうなるとは限らない）。そして、最大深さ位置での発火部厚さをｈ0としたとき、（ｂ）に示すように照射位置が（ａ）の照射位置よりも中心電極３側にずれた場合は、溶接部深さｄLはｄ0よりも減少し、発火部厚さｈLはｈ0よりも増加する。他方、（ｃ）に示すように、照射位置が（ａ）の照射位置よりもチップ３１’側にずれたときは、溶接部深さｄUは同様にｄ0よりも減少するが、発火部厚さｈUはｈ0よりも減少する。なお、図８（ａ）〜（ｃ）においては、すべて同材質の貴金属チップ３１’及び中心電極３を用いることを前提としている。
【００４７】
図１１は、中心電極３の材質をINCONEL600に固定し、チップの材質を、Ｐｔ−１３質量％Ｉｒ、Ｉｒ−２０質量％Ｒｕ、Ｉｒ−５質量％Ｐｔ及びＩｒ―５質量％Ｙ_２Ｏ_３とし、レーザービームＬＢの出力条件を一定として上記関係を測定した例である。ただし、チップ厚さＨは０．６ｍｍ、チップ径Ｄが０．８ｍｍである。このように、レーザービームの照射位置δと、溶接部深さｄあるいは発火部厚さｈとの関係は、チップあるいは電極の材質により全て異なるので、これらを予め実験により見出しておき、ｄ／ｗあるいはｈ／Ｈが上記数値範囲に収まる照射位置条件を、該実験結果より見出して設定すればよい。このとき、得られる溶接部１０におけるチップ側金属の溶解比率も前述の範囲のものとなる。
【００４８】
なお、図７（ｂ）に示すように、貴金属発火部３１の中心軸線Ｏを挟んだ全周レーザー溶接部１０の両側部分が半径方向において内部でつながらない場合（この場合、全周レーザー溶接部１０はドーナツ状の形態を呈する）には、溶接後においてチップ厚さＨ及び溶け込み深さｄを、中心軸線Ｏを含む断面（以下、軸平行断面という）から実測すればよい。しかし、同図（ｃ）に示すように、両側の全周レーザー溶接部１０が半径方向において内部でつながってしまう場合（全周レーザー溶接部１０は円板状の形態を呈する）には、溶接後においてチップ厚さＨ及び溶け込み深さｄを、その軸平行断面において直ちに実測できるわけではない。ただし、溶け込み深さｄについては、全周レーザー溶接部１０の軸断面において、中心軸線Ｏを挟んで対称と仮定し、チップ半径とすることができる。一方、チップ厚さＨについては、全周レーザー溶接部１０を、周方向に対して均一な濃度分布を有する貴金属チップ成分と電極成分との溶融合金部として捉えることにより、次のように定めるものとする。
【００４９】
まず、図９に示すように、貴金属発火部３１と中心電極３（チップ被固着面３ｓの形成部分）の金属組成は既知であるとし、前者の主成分をＣ、含有率をＮC（質量％）、後者の主成分をＥ、含有率をＮE（質量％）とする。次に、貴金属発火部３１の軸平行断面において、全周レーザー溶接部１０の成分Ｃ及び成分Ｅの各平均含有率ＮCW及びＮEWを、ＥＰＭＡあるいはＥＤＸ等の微小面分析法により求める。溶接部１０中の貴金属チップの溶解比率をｘとすると、図中の▲１▼の関係が成立するから、ｘは▲２▼のように求めることができる。近似的ではあるが、本明細書では、成分Ｃ単体の室温での密度をρC（ｇ／ｃｍ^３）、成分Ｅ単体の室温での密度をρE（ｇ／ｃｍ^３）として、溶接部１０中の貴金属チップの体積溶解比率を、（ｘ／ρC）／｛（ｘ／ρC）＋（１−ｘ）／ρE｝にて求めるものとする（この数値を１００倍すれば、体積％による表示となる）。該貴金属チップの体積溶解比率の決定方法は、図７（ｂ）のように、全周レーザー溶接部１０の両側部分が半径方向において内部でつながらない場合も同様である。
【００５０】
次に、溶接部１０の体積を以下のようにして求める（図１０参照）。すなわち、軸線Ｏの方向において、溶接部１０を、該軸線Ｏと直交する断面（以下、軸直交断面という）により、微小距離Δｚに分割する。誤差を小さくするには分割数は多ければ多いほどよいが、例えば１００分割程度あれば十分である。そして、各切断面による溶接部１０の軸直交断面積Ｓｉ（ここでは、チップ側から数えたｉ番目の切断面による軸直交断面積をＳｉと表している；Ｓｉ’についても同様）、前記軸平行断面において溶接部１０により切り取られる部分の長さを直径とする円により近似する。なお、溶接部１０の上下のくぼみにかかる部分では、溶接部１０により切り取られる部分は、軸線Ｏの両側に別れて現われるが、この場合は軸直交断面積Ｓｉを、外縁間距離及び内縁間距離をそれぞれ直径とする円に挟まれたドーナツ状領域の面積として求める。
【００５１】
溶接部１０の全体積Ｖｔは、区分求積法の原理により、各位置の軸直交断面積Ｓｋを底面とし微小距離Δｚを高さとする薄い柱体の体積和として算出できる（図中▲３▼式）。また、貴金属チップ３１’の体積溶解比率は、すでに（ｘ／ρC）／｛（ｘ／ρC）＋（１−ｘ）／ρE｝として算出してあるので、貴金属チップ３１’及び中心電極３の各溶解体積は、前記全体積Ｖｔを用いて図中▲４▼及び▲５▼式によりそれぞれ算出できる。
【００５２】
そして、発火部厚さをｔとし、溶接部１０の縁位置から、チップ被固着面３ｓの推定位置までの軸線Ｏ方向の距離をｔAとすれば、推定チップ厚さＨは、ｈ＋ｔA（図中▲６▼式）にて表される。ここで、溶接部１０のチップ（発火部）側のくぼみの体積Ｖｒは、前記ドーナツ状の推定断面の内周縁に囲まれる領域の軸直交断面積をＳｉ’とすれば、同様の区分求積法により▲６▼式のように算出できる。その結果、チップの直径をＤ、発火部厚さをｈとして、推定チップ体積Ｖｍは▲７▼式にて表されるから、推定チップ高さＨを▲８▼のように求めることができる。このような演算は、前記軸平行断面の観察画像を撮影し、その画像にコンピュータを用いた周知の図形演算処理を施せば、迅速かつ正確に行なうことができる。
【００５３】
以上、本発明の実施の形態につき説明したが、これらはあくまで例示であって本発明を限定するものではなく、請求項の概念を逸脱しない範囲内にて種々の改良を施すことができ、それらも当然に本発明の技術的範囲に属するものである。例えば、レーザー照射ユニットは、上記実施形態の装置では１台のみ用いていたが、例え能率向上のため、軸線Ｏの周りに複数台のレーザー照射ユニットを配置し、それらレーザー照射ユニットにより１つのスパークプラグワークに対する溶接を同時に行なうようにしてもよい。この場合、各レーザー照射ユニット毎に、チップ被固着面の位置検出結果に基づくレーザービーム照射位置の調整を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスパークプラグの一実施例を示す縦断面図及びその要部拡大図。
【図２】図１のスパークプラグの、中心電極側発火部の製造工程説明図。
【図３】本発明に係るスパークプラグの製造装置の一例を示す模式図。
【図４】図３の製造装置の、電気的構成の一例を示すブロック図。
【図５】チップ被固着面の位置決め方法の一例を示す工程説明図。
【図６】図５の工程の効果説明図。
【図７】レーザー溶接部と、その断面形態の例を示す説明図。
【図８】レーザービーム照射位置の溶接部形態に及ぼす影響を説明する図。
【図９】溶接部中の貴金属チップ溶解比率を算出する方法の概念説明図。
【図１０】推定チップ高さを算出する方法の概念説明図。
【図１１】溶接部深さ及び発火部厚さと、レーザービーム照射位置との関係を、いくつかのチップ材質について調べた結果を示すグラフ。

Claims (9)

1. 中心電極（３）を有したスパークプラグワーク（Ｗ）の、前記中心電極（３）の軸線（Ｏ）方向における先端に形成されたチップ被固着面（３ｓ）に貴金属チップ（３１’）を重ね合わせて重ね合せ組立体（１７０）を作り、該重ね合せ組立体（１７０）に対しレーザービーム（ＬＢ）を照射して、前記貴金属チップ（３１’）と前記チップ被固着面（３ｓ）の形成部位とにまたがるレーザー溶接部（１０）を形成することにより、放電面（３１ａ）を有する貴金属発火部（３１）を形成するスパークプラグの製造方法において、
   前記チップ被固着面（３ｓ）を含む視野により前記中心電極（３）の画像撮影を行い、その撮影画像に基づいて、前記中心電極（３）の軸線（Ｏ）方向における前記チップ被固着面（３ｓ）の位置を測定・検出し、その検出結果に基づいて、前記軸線（Ｏ）方向における前記レーザービーム（ＬＢ）の前記重ね合せ組立体（１７０）への相対的な照射位置調整を、前記貴金属チップ（３１’）及び／又は前記中心電極（３）の材質に応じて前記レーザービーム（ＬＢ）の照射位置を、前記チップ被固着面（３ｓ）との相対的な位置関係が前記材質毎に固有のものとなるように定められた設定位置に位置決め調整することにより行なうことを特徴とするスパークプラグの製造方法。
2. 前記画像撮影を、前記チップ被固着面（３ｓ）に対してほぼ平行な光軸を有する撮像装置（５０）により行なう請求項１記載のスパークプラグの製造方法。
3. 前記レーザービーム（ＬＢ）の照射位置調整は、前記レーザー照射ユニット（２００）と前記中心電極（３）との前記軸線（Ｏ）方向における相対移動により行なう請求項１又は２に記載のスパークプラグの製造方法。
4. 前記レーザービーム（ＬＢ）の照射位置調整を、前記レーザー照射ユニット（２００）のみを前記軸線（Ｏ）方向に移動させて行なう請求項３記載のスパークプラグの製造方法。
5. 前記チップ被固着面（３ｓ）の位置検出を、前記チップ被固着面（３ｓ）への前記貴金属チップ（３１’）の重ね合わせ前に行なう請求項１ないし４のいずれかに記載のスパークプラグの製造方法。
6. 前記チップ被固着面（３ｓ）の位置検出及び前記レーザー照射ユニット（２００）と前記中心電極（３）との相対位置決めを、前記チップ被固着面（３ｓ）への前記貴金属チップ（３１’）の重ね合わせ前に行なう請求項５記載のスパークプラグの製造方法。
7. 予め位置固定された位置決め部材（８０）の位置決め面（８０ａ）に対し、前記中心電極（３）の前記チップ被固着面（３ｓ）を前記軸線（Ｏ）方向に押し付けて仮保持し、その仮保持位置を維持した状態にて前記スパークプラグワーク（Ｗ）を本把持して、その本把持されたスパークプラグワーク（Ｗ）に対し、前記レーザービーム（ＬＢ）の照射位置調整を行なう請求項１ないし６のいずれかに記載のスパークプラグの製造方法。
8. 軸線（Ｏ）方向の長さが異なる複数種類の前記スパークプラグワーク（Ｗ）に対し、前記位置決め部材（８０）の前記位置決め面（８０ａ）の固定位置を共通に設定する請求項７記載のスパークプラグの製造方法。
9. 中心電極（３）のチップ被固着面（３ｓ）に貴金属チップ（３１’）を重ね合わせた重ね合せ組立体（１７０）に対し、前記貴金属チップ（３１’）と前記チップ被固着面（３ｓ）の形成部位とにまたがるレーザー溶接部（１０）を形成するために、該重ね合せ組立体（１７０）に対しレーザービーム（ＬＢ）を照射するレーザー照射ユニット（２００）と、
   前記チップ被固着面（３ｓ）を含む視野により前記中心電極（３）の画像撮影を行なうカメラを有し、その撮影画像に基づいて、前記中心電極（３）の軸線（Ｏ）方向における前記チップ被固着面（３ｓ）の位置を測定・前記重ね合わせ方向における前記チップ被固着面（３ｓ）の位置を検出する位置検出機構と、
   前記レーザービーム（ＬＢ）の照射位置を、前記貴金属チップ（３１’）及び／又は前 記中心電極（３）の材質に応じたスパークプラグ種別と対応付けて記憶した記憶装置を有し、該記憶装置にてスパークプラグの種別に対応した前記照射位置を読み出し、該照射位置と、前記チップ被固着面（３ｓ）の位置検出結果とに基づいて、前記軸線（Ｏ）方向における前記レーザービーム（ＬＢ）の前記重ね合せ組立体（１７０）への相対的な照射位置調整を、前記チップ被固着面（３ｓ）との相対的な位置関係が前記材質毎に固有のものとなるように定められた設定位置に位置決め調整する照射位置調整機構（６５）と、
   を有することを特徴とするスパークプラグの製造装置。

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