JP4414849B2 - スパークプラグの製造方法及びスパークプラグ - Google Patents

Description

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に関する。

特開２００２−２３７３６５号公報には、その図２６に先端側に向かってテーパ状に形成された内側面から突出する様に貴金属チップがこの内側面にレーザ溶接されている接地電極が開示されている。
特開２００２−２３７３６５号公報

この接地電極にテーパ面を形成するに際して、貴金属チップをレーザ溶接した後に行うと、テーパ面を形成する際の衝撃によって溶接によって形成された接合部にクラック等を生じてしまう場合がある。特に、着火性等を向上させるために、直径０．８ｍｍ以下の小さい直径を持つ貴金属チップを接地電極の内側面から０．５ｍｍ以上突出した状態でレーザ溶接した場合において、その傾向が大きい。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、溶接部の信頼性を向上させることのできるスパークプラグの製造方法及びスパークプラグを提供することを目的とする。

本発明のスパークプラグの製造方法は、中心電極と、その中心電極の先端面を突出させた状態で周囲を覆う絶縁体と、その絶縁体を保持する主体金具と、この主体金具に固定され、一対のテーパ面に挟まれた部位において先端側に向かって幅が狭くなる内側面を有する接地電極と、直径０．８ｍｍ以下でかつ高さ０．５ｍｍ以上となるように、接地電極の内側面にレーザ溶接によって接合され、中心電極の先端部との間で放電ギャップを形成する放電部と、を有するスパークプラグの製造方法において、放電部は、Ｐｔ合金からなる貴金属チップの全体を接地電極の内側面上に配置した後、内側面と貴金属チップとの接触面に対してレーザを照射することによって形成されるものであり、テーパ面は、放電部を中心電極の内側面にレーザ溶接する前に形成することを特徴とする。

さらに、本発明のスパークプラグの製造方法では、レーザ溶接は、そのレーザ溶接によって貴金属チップの根元部分からテーパ面に跨って延在して形成される溶融部の少なくとも一部が、内側面とテーパ面とを結ぶ角において外側に向かって凸となる曲面形状（好ましくは、０．３〜１．０ｍｍの曲率半径を有する曲面形状）となるように前記内側面から前記テーパ面に跨って形成されるように行うことを特徴とする。前記内側面と前記テーパ面とを結ぶ角が、角張っていると、その部分に電界集中が起こりやすい。その結果、溶融部に向かって飛火しやすく、溶融部が損傷を受けやすい構造となってしまう。これに対し、接地電極の内側面とテーパ面とを結ぶ角をレーザ溶接の際に溶融させ、溶融部が内側面とテーパ面とを結ぶ角において外側に向かって凸となる曲面形状となるように形成することにより、電界集中に起因する溶融部の損傷を効果的に防止することができる。

溶接部の断面積の小さい直径０．８ｍｍ以下の場合に溶接強度が弱くなってしまい易く、その上貴金属チップの突出寸法が０．５ｍｍ以上あるような場合にはテーパ面形成時の振動による応力が溶接部に集中しやすくなるのであるが、本発明のように製造することによって、この問題を解決することが出来る。

レーザ溶接は、テーパ面及び接地電極の先端面と貴金属チップとの最短距離を０．１ｍｍ以上０．８ｍｍ以下となるように配置した後に行うとよい。

貴金属チップをレーザ溶接するに際して、レーザの照射角度は放電部が接合される接地電極の内側面の延長面方向に対して±２０°程度である場合に安定して行うことができる。この際、放電部と接地電極との双方を同時に溶融する必要があるが、レーザの焦点を合わせることが出来る範囲が０．８ｍｍ以下程度である。また、接地電極母材の主成分であるニッケルの方が貴金属を主体とする貴金属チップに比べて溶融しやすい。これらの理由により、本発明の様に放電部を配置した後に行うことによってレーザ溶接を安定に行うことが出来る。

溶融部への飛火を防止するためには、貴金属チップの先端面と溶融部との距離を大きく、具体的には、貴金属チップのうち未溶融部の高さ（ｔ）が０．３ｍｍ以上とするのが好ましい。このように未溶融部の高さの大きいものにおいては、テーパ面形成時の振動による溶融部への応力集中により破損しやすい傾向にあるが、テーパ面を形成した後でレーザ溶接を行うことにより、上記応力集中を防止できる。このようにテーパ面形成時の振動による溶融部への応力集中により破損しやすい傾向は、貴金属チップのうち未溶融部の高さ（ｔ）と貴金属チップの水平断面積Ｓとの関係がｔ≧０．７８×Ｓを満たすものにおいて、特に顕著であるため、かかる貴金属チップを予めテーパ面を形成した接地電極にーザ溶接することで、上記応力集中を防止できる。
なお、未溶融部の高さ（ｔ）は、貴金属チップの先端面と溶融部との最短距離により規定されるものとする。

製造時においても製造後においても溶融部の損傷を効果的に防止することができるスパークプラグとして、中心電極と、中心電極の先端部を突出させた状態で中心電極の周囲を覆う絶縁体と、絶縁体を保持する主体金具と、主体金具に固定され、一対のテーパ面に挟まれた部位において先端側に向かって幅が狭くなる内側面を有する接地電極と、直径０．８ｍｍ以下でかつ高さ０．５ｍｍ以上となるように接地電極に貴金属チップをレーザ溶接によって接合し、中心電極の先端部との間で放電ギャップを形成する放電部と、を有するスパークプラグであって、放電部は、Ｐｔ合金からなり、自身の全体が接地電極の内側面上に配置された貴金属チップを、内側面と貴金属チップとの接触面に対してレーザを照射することによって形成されたものであり、貴金属チップと前記接地電極とが溶け込みあった溶融部は貴金属チップの根元部分からテーパ面に跨って延在して形成されており、その少なくとも一部が、内側面とテーパ面とを結ぶ角において外側に向かって凸となる曲面形状（好ましくは、０．３〜１．０ｍｍの曲率半径を有する曲面形状）となっているものが好ましい。かかるスパークプラグにおいては、直径０．８ｍｍ以下でかつ高さ０．５ｍｍ以上の放電部を有しているので、放電部の先端に電界強度が集中しやすい。さらに、溶融部が、内側面からテーパ面に跨って形成され、内側面とテーパ面とを結ぶ角が丸みを帯びた形状となっているため、この部分に電界強度が集中しにくい。これら２つの構造上の特長による相乗効果により、電界強度が放電部先端に集中し、低い放電電圧で安定した火花放電が可能となる。また、このようなスパークプラグは、テーパ面を形成した後に貴金属チップをレーザ溶接することにより形成されるので、テーパ面形成時の振動によって溶融部が破損することがない。

なお、上記貴金属チップに好適なものとして、Ｐｔ−２０ｗｔ％Ｎｉ、Ｐｔ−２０ｗｔ％Ｒｈ、Ｐｔ−２０ｗｔ%Ｒｈ−５ｗｔ%Ｎｉ、Ｐｔ−４０Ｒｈ−５Ｎｉ等のＰｔ合金や、Ｉｒ−５ｗｔ％Ｐｔ、Ｉｒ−２０ｗｔ％Ｒｈ、Ｉｒ−５ｗｔ％Ｐｔ−１ｗｔ％Ｒｈ−１ｗｔ％Ｎｉ、Ｉｒ−１１Ｒｕ−８ｗｔ％Ｒｈ−１ｗｔ％Ｎｉ等のＩｒ合金が挙げられるが、これらに限定されず、その他の公知の貴金属チップを適宜適用できる。

以下、本発明の好ましい実施形態であるスパークプラグの製造方法に付いて説明する。

本実施形態の製造方法で製造されたスパークプラグを図１に示す。図１に示すように、スパークプラグは、円筒形状の主体金具１を有しており、この主体金具１は、図示しないエンジンブロックに固定するための取付ネジ部１ａを備えている。主体金具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２ａに中心電極３が固定されている。絶縁体２の先端部２ｂは、主体金具１から露出するように設けられている。

中心電極３は、内部にＣｕ等の熱伝導性に優れた金属材料が配置されており、その外部を覆うようにインコネル６００（商標名）からなるニッケル基合金等の耐熱性および耐食性に優れた金属材料により構成された円柱体である。そして、その先端部５１が絶縁体２の先端部２ｂから露出するように設けられている。また、その先端部５１は、イリジウム合金からなる貴金属チップによって形成されている。この先端部５１は断面円形に形成されており、先端部５１の熱の引けと、中心電極３の消炎作用とを考慮して、先端部５１の直径は例えば０．６ｍｍ、長さは０．８ｍｍとしている。

中心電極３は先端側が細径部３ｃに形成されており、この細径部３ｃの先端に更にストレート部が形成されている。このストレート部の先端に９５質量％イリジウムと５質量％白金からなる貴金属チップを載置した後、レーザ溶接により固定することによって先端部５１を形成している。このストレート部の外径は、貴金属チップの外径よりもやや大きく形成されている。レーザ溶接のスポットは、貴金属チップの外周部の周方向に４５°間隔で８点行なっている。

主体金具１の一端には、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、インコネル６００（商標名）からなるニッケル基合金等の金属材料からなり、一対のテーパ面４ｂに挟まれる部位において先端側に向かって幅が狭くなるように内側面４ａから約０．８ｍｍ突出する様に貴金属を主成分とする貴金属チップ５２ａをレーザ溶接によって内側面４ａに接合することによって放電部５２が形成され、この放電部５２と中心電極３の先端部５１とで放電ギャップ６を形成している。この放電部５２は、直径０．７ｍｍの断面円形であり、８０質量％白金と２０質量％イリジウムとからなる合金によって形成されている。なお、一般に接地電極４の幅は、２．２ｍｍ〜２．８ｍｍ程度に形成され、テーパ面に挟まれた先端面の幅は、０．６ｍｍ〜１．２ｍｍ程度に形成される。また、本明細書において、貴金属を主体とするとは、貴金属の含有率が５０％を超えることをいうものと定義する。

ここで、中心電極３側の先端部５１の方が、接地電極４側の放電部５２よりも、火花放電による消耗量が大きい。また、接地電極４側の方が中心電極３側よりも高温になりやすい。よって、本実施形態では、先端部５１を火花放電による耐消耗性の高いイリジウム合金とし、放電部５２を高温で酸化揮発を生じない白金合金としている。放電部５２（貴金属チップ５２ａ）は、上記したＰｔ−２０Ｉｒ合金に替えて、高温下での酸化揮発を抑制でき、かつ、耐腐食性および耐酸化性に優れた材料として、Ｐｔ−Ｒｈ−Ｎｉ合金も好適に用いることができる。より具体的には、第１成分として、Ｐｔを５０質量％以上、第２成分として、Ｒｈを５０質量％未満、第１成分及び第２成分より少ない第３成分として、Ｎｉを７質量％未満含んだ、Ｐｔ−Ｒｈ−Ｎｉ合金（Ｉｒを実質的に含まない）を用いると、上記効果を十分に得ることができる。

次に、スパークプラグ１の製造方法について、図２を用いて具体的に説明する。
冷間押出し成形及び切削加工等によって、ネジ成形を行う前の略筒状の主体金具１’を形成する。この主体金具１’には、軸方向中央部１ｂより一方側に断面形状が六角形状の工具係合部１ｄを形成すると共に、他方側に中央部１ｂの径より小さい径で断面形状が略円筒形状のネジ形成部１ａ’が形成されている（図２（ａ）参照）。

そして、ネジ形成部１ａ’の先端面１ｅに、先端にテーパ面４ｂが形成された接地電極４を抵抗溶接する（図２（ｂ）参照）。その後、この主体金具１’のネジ形成部１ａ’に転造を施すことによって取付ネジ部１ａを形成する（図２（ｃ））。次に、この主体金具１’に亜鉛メッキ等の表面処理を施した後に、貴金属合金チップを溶接して先端部５１を形成した中心電極３が保持されている絶縁体２をこの主体金具１’に組付ける（図２（ｄ））。そして、貴金属チップ５２ａを、内側面４ａのうち、一対のテーパ面４ｂに挟まれて接地電極の元幅よりも細くなっている部分に配置して、その内側面４ａとこの貴金属チップ５２ａとの接触面に対して、略水平方向からレーザを照射することによって接地電極３に放電部５２を形成する（図２（ｅ））。

なお、本実施形態においては、予めテーパ面を形成した接地電極４を主体金具３に抵抗溶接したが、抵抗溶接した後にテーパ面を形成してもよい。また、接地電極側の貴金属チップ５２ａを接地電極４の内側面４ａに対して抵抗溶接等の仮溶接を行った後にテーパ面を形成し、その後にレーザ溶接を行うことによって放電部５２を形成しても良い。つまり、レーザ溶接を行う前であれば、どの段階で接地電極４にテーパ面を形成しても良い。

以上説明した本発明の好ましい実施の形態から、さらに好ましい放電部５２の配置を明確化するために、図３乃至図５を用いて説明する。

図３は本発明の接地電極４の内側面４ａに対する放電部５２の配置、即ち、テーパ面４ｂ及び接地電極４の先端面４ｃと貴金属チップ５２ａとの最短距離Ｌを示す概説図である。そして、図４には、最短距離Ｌの値を０〜１．０ｍｍの各位置に配置した場合における溶接性の確認結果を示す。溶接性の評価方法は以下の通りである。まず、スパークプラグ１の火花放電ギャップ側の先端部からガスバーナーを用いて、接地電極４と貴金属合金チップ５２ａとの溶接部近傍の温度で１０００℃に２分間加熱し、次いで１分空冷するサイクルを１０００回繰り返す（これは、通常走行条件による実機耐久性試験において走行距離約１０万ｋｍに相当する）。次に、この試験を行った製品を、放電部５２の中心軸線を通る面にて切断・研磨して顕微鏡にて拡大観察するとともに、貴金属チップ５２ａと接地電極４との界面の酸化スケール進展長（酸化部分の長さ）を観察視野上にて測定し、界面の全長で割った値を酸化スケール進展率（酸化部分の比率）として算術する。そして、その酸化スケール進展率が５０％を超えたものを溶接性不良（×）、３０〜５０％のものを耐剥離性良好（○）、３０％未満を優良（◎）として判定した。

これによると、Ｌが０．１ｍｍ〜０．８ｍｍの時に良好な結果が得られていることがわかり、０．３ｍｍ〜０．５ｍｍの時に最も良い結果が得られていることがわかる。図５は、このように最も良い結果が得られるＬの値になるように貴金属チップ５２ａを接地電極４の内側面４ａに配置して放電部５２を形成した場合のレーザ溶接後の状態を示す概説図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）におけるＡ−Ａ'における部分断面図である。図５（ｂ）に示すように、溶接部５３は、貴金属チップ５２ａの根元部分からテーパ面４ｂに跨って延在している。溶融部５３の少なくとも一部は、内側面４ａとテーパ面４ｂとを結ぶ角において、外側に向かって凸となる曲率半径Ｒを有する曲面形状を有している。曲率半径Ｒは０．３〜１．０ｍｍの範囲であると好ましい（本実施例では、約０．４ｍｍ）。
また、貴金属チップ５２ａのうちレーザ溶接によって溶融していない部分（未溶融部）の高さｔは、０．４５ｍｍとなっている。

さらに、貴金属チップ５２ａのうち未溶融部の高さ（ｔ）と貴金属チップ５２ａの水平断面積Ｓとの関係がｔ≧０．７８×Ｓを満たすように貴金属チップがレーザ溶接されている。
この点につき、高さ０．８ｍｍ、チップ径φ０．７ｍｍ（水平断面積＝約０．７８５ｍｍ^２）の貴金属チップについて、未溶融部の高さ（ｔ）を０．１ｍｍ〜０．５５ｍｍの範囲で変化させて、貴金属チップをレーザ溶接した後にテーパ面を形成した場合の、t/Ｓとクラック発生率との関係を調べた結果を図６に示す。
図６から明らかなように、ｔ≧０．７８×Ｓを満たすように貴金属チップをレーザ溶接した後にテーパ面を形成すると、クラックの発生率が高くなることがわかる。これに対し、本実施例では、予めテーパ面を形成した接地電極に対して貴金属チップを溶接しているため、ｔ≧０．７８×Ｓを満たす貴金属チップであってもクラックの発生を防止することができる。

さらに、本実施例の接地電極は、図５（ａ）に示すように、接地電極の内側面（４ａ）、テーパ面４ｂおよび先端面４ｃが構成する角も、レーザで溶融し、外に向かって凸となる曲率半径ｒを有する曲面形状となっている。このように接地電極の内周面のうち先端面とテーパ面との間に形成される角部がレーザで溶融されて丸みを帯びた形状となっていることから、図３のように、接地電極のテーパ面４ｂと先端面４ｃとの角が角張っている場合よりも、電界強度をかかる角に集中するのを抑制でき、溶接部５３の損傷を防止できる。

なお、図５（ａ）では、溶融部５３を貴金属チップ５２ａの先端面から見たときに主体金具側（後端側）の中央が内向きに窪んだ形状となっている。すなわち、この部分において、幅（溶融部５３の外周縁と貴金属チップ５２ａの外周面との最短距離）が、他の部分よりも短くなる構造となっている。これは、主体金具がレーザ照射の障害となり、貴金属チップの主体金具側正面に対するレーザ照射が困難であるという理由から、斜め方向からレーザを照射したためである。その結果、貴金属チップの主体金具側正面において、溶融部の幅が他よりも小さくなっている。このような形状であっても、貴金属チップ５２ａと接地電極４との十分な接合強度を得るためには、窪み部分での溶融部の最小幅は０．２５ｍｍ以上確保しておくことが好ましい。

本発明のスパークプラグの製造方法によって製造されたスパークプラグの一実施例を示す正面図である。 （ａ）乃至（ｅ）は、本発明のスパークプラグの製造工程を模式的に示す図である。 テーパ面に挟まれた内側面への放電部の配置状態及び接地電極の先端部と放電部との最短距離Ｌを示す概説図である。 最短距離Ｌの値を０〜１．０ｍｍの各位置に配置した場合における溶接性の確認結果を示す。 （ａ）乃至（ｂ）は、優良となる結果が得られるＬの値になるように放電部を配置した場合のレーザ溶接後の状態を示す概説図である。 貴金属チップの未溶融部（ストレート部）の長さ（ｔ）／水平断面積（Ｓ）とテーパ面加工後のクラック発生率の関係

符号の説明

１ 主体金具
１ａ 取付ネジ
２ 絶縁体
３ 中心電極
３ａ 先端面
４ 接地電極
４ａ 内側面
４ｂ テーパ面
４ｃ 先端面
５１ 先端部
５２ 放電部
５２ａ貴金属チップ
５３ 溶融部
６ 放電ギャップ

Claims (7)

1. 中心電極（３）と、
   前記中心電極（３）の先端部（５１）を突出させた状態で前記中心電極（３）の周囲を覆う絶縁体（２）と、
   前記絶縁体（２）を保持する主体金具（１）と、
   前記主体金具（１）に固定され、一対のテーパ面（４ｂ）に挟まれた部位にて、先端側に向かって幅が狭くなる内側面（４ａ）を有する接地電極（４）と、
   直径０．８ｍｍ以下でかつ高さ０．５ｍｍ以上となるように、前記接地電極の内側面（４ａ）にレーザ溶接によって接合され、前記中心電極（３）の前記先端部（５１）との間で放電ギャップ（６）を形成する放電部（５２）と、
   を有するスパークプラグの製造方法において、
   前記放電部は、Ｐｔ合金からなる貴金属チップ（５２ａ）の全体を前記接地電極（４）の前記内側面（４ａ）上に配置した後、前記内側面（４ａ）と前記貴金属チップ（５２ａ）との接触面に対してレーザを照射することによって形成されるものであり、
   前記テーパ面（４ｂ）は、前記放電部（５２）を前記内側面（４ａ）にレーザ溶接する前に形成し、
   前記レーザ溶接は、そのレーザ溶接によって前記貴金属チップ（５２ａ）の根元部分から前記テーパ面（４ｂ）に跨って延在して形成される溶融部（５３）の少なくとも一部において、前記内側面（４ａ）と前記テーパ面（４ｂ）とを結ぶ角が外側に向かって凸となる曲面形状となるように前記内側面（４ａ）から前記テーパ面（４ｂ）に跨って形成することを特徴とするスパークプラグの製造方法。
2. 前記溶融部（５３）は、前記内側面（４ａ）と前記テーパ面（４ｂ）とを結ぶ角において０．３〜１．０ｍｍの曲率半径（Ｒ）を有する曲面形状となってい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。
3. 前記テーパ面（４ｂ）及び前記接地電極（４）の先端面（４ｃ）との最短距離が０．１ｍｍ以上０．８ｍｍ以下となるように前記貴金属チップ（５２ａ）を配置した後にレーザ溶接を行うことによって前記放電部（５２）が形成される請求項１または２に記載のスパークプラグの製造方法。
4. 前記レーザ溶接は、前記貴金属チップ（５２ａ）のうち未溶融部の高さ（ｔ）が０．３ｍｍ以上残るように、前記貴金属チップ（５２ａ）と前記接地電極とが溶け込みあった溶融部（５３）を形成する請求項３に記載のスパークプラグの製造方法。
5. 中心電極（３）と、
   前記中心電極（３）の先端部（５１）を突出させた状態で前記中心電極（３）の周囲を覆う絶縁体（２）と、
   前記絶縁体（２）を保持する主体金具（１）と、
   前記主体金具（１）に固定され、一対のテーパ面（４ｂ）に挟まれた部位にて、先端側に向かって幅が狭くなる内側面（４ａ）を有する接地電極と、
   直径０．８ｍｍ以下でかつ高さ０．５ｍｍ以上となるように前記接地電極の内側面（４ａ）に貴金属チップ（５２ａ）をレーザ溶接によって接合し、前記中心電極（３）の前記先端部（５１）との間で放電ギャップ（６）を形成する放電部（５２）と、
   を有するスパークプラグであって、
   前記放電部は、Ｐｔ合金からなり、自身の全体が前記接地電極（４）の前記内側面（４ａ）上に配置された前記貴金属チップ（５２ａ）を、前記内側面（４ａ）と前記貴金属チップ（５２ａ）との接触面に対してレーザを照射することによって形成されたものであり、
   前記貴金属チップ（５２ａ）と前記接地電極（４）とが溶け込みあった溶融部（５３）は前記貴金属チップ（５２ａ）の根元部分から前記テーパ面（４ｂ）に跨って延在して形成されており、その少なくとも一部が、前記内側面（４ａ）と前記テーパ面（４ｂ）とを結ぶ角において外側に向かって凸となる曲面形状となっていることを特徴とするスパークプラグ。
6. 前記溶融部（５３）は、前記内側面（４ａ）と前記テーパ面（４ｂ）とを結ぶ角において０．３〜１．０ｍｍの曲率半径（Ｒ）を有する曲面形状となっていることを特徴とする請求項５に記載のスパークプラグ。
7. 前記貴金属チップ（５２ａ）は、その未溶融部が、前記溶融部（５３）から０．３ｍｍ以上突出して溶接されている請求項５または６に記載のスパークプラグ。

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