JP4625325B2 - スパークプラグの製造方法 - Google Patents

Description

本発明はスパークプラグの製造方法に関する。

図５に示すように、一般的なスパークプラグ１００は、筒状の主体金具９１と筒状の絶縁体９２と棒状の中心電極９３と接地電極９４と端子９５とを備えている。絶縁体９２は、軸孔９２ｂを有して主体金具９１の軸方向に延在し、両端を主体金具９１の両端から突出させて主体金具９１内に固定されている。中心電極９３は、絶縁体９２内で軸方向に延在し、先端（図５の下方側）を絶縁体９２の先端から突出させ、後端（図５の上方側）を絶縁体９２内で端子９５の先端と電気的に接続させている。端子９５は、後端を絶縁体９２の後端から突出させている。接地電極９４は、主体金具９１の先端に一端部９４ａが固定され、他端部９４ｂが中心電極９３の先端に対向するように配設されて、中心電極９３との間に放電ギャップｇを形成している。

そして、高い耐久性を発揮するために、スパークプラグ１００では、中心電極９３及び接地電極９４の少なくとも一方（図５では両方）の放電ギャップｇを形成する位置に耐火花消耗材からなるチップＴ１０、Ｔ２０が溶接されることがある（特許文献１）。

このような中心電極９３や接地電極９４は、例えば抵抗溶接やレーザ溶接の溶接工程において、接地電極９４用の電極母材Ｍ１０や中心電極９３用の電極母材Ｍ２０の一部とチップＴ１０、Ｔ２０の一部とを溶融させた溶融部Ｗ１０、Ｗ２０を形成することによって電極母材Ｍ１０、Ｍ２０にチップＴ１０、Ｔ２０を溶接することで得られる。このスパークプラグ１００では、チップＴ１０、Ｔ２０によって、電極母材Ｍ１０、Ｍ２０の消耗を低減させることが可能である。

特許２０７９９５２号公報

ところで、上記のような溶接工程を行う際、中心電極９３や接地電極９４は、溶接不足によってチップＴ１０、Ｔ２０が電極母材Ｍ１０、Ｍ２０から剥離することを防止できるような溶接工程時の溶接条件を定めている。ここで、溶接条件とは、溶接工程が例えば抵抗溶接で行われる場合には、加圧力、電力量、通電時間等をいい、溶接工程が例えばレーザ溶接で行われる場合には、電力量、レーザ光のショット間隔、レーザ光のショット回数等をいう他、電極母材Ｍ１０、Ｍ２０の材質及びチップＴ１０、Ｔ２０の材質もいう。

しかしながら、この溶接工程時の溶接条件においては、図６に示すように、溶融部Ｗ１０、Ｗ２０に溶接ダレＷ１１やスパッタＷ１２が発生するおそれがあった。なお、図６は接地電極９４を図示しているが、中心電極９３についても同様である。

そして、これらの溶接ダレＷ１１やスパッタＷ１２は、使用前のスパークプラグ１００の外観を損なうばかりでなく、内燃機関等で使用中に電極母材Ｍ１０、Ｍ２０から剥離し、中心電極９３と接地電極９４とを短絡させてしまうおそれがあった。そのためにスパークプラグ１００は耐久性の低下を生じるおそれがあった。このため、従来は、極端な溶接ダレＷ１１やスパッタＷ１２については、製造時に面倒な作業によって削去することにより使用後の耐久性の維持を図ることとしており、そのために製造コストの高騰化を生じてしまっていた。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、チップが電極母材から剥離することを防止することによる耐久性の維持と製造コストの低廉化との両立を図ることが可能なスパークプラグの製造方法を提供することを解決すべき課題としている。

本発明のスパークプラグの製造方法は、筒状の主体金具と、該主体金具が取り囲むようにして当該主体金具に固定され、軸孔を有する筒状の絶縁体と、先端を該絶縁体の先端から突出させて該絶縁体内に固定された中心電極と、該主体金具に一端部が固定され、他端部と該中心電極との間に放電ギャップを形成する接地電極とを備え、該中心電極及び該接地電極の少なくとも一方は、電極母材と、該電極母材の該放電ギャップを形成する位置に溶接されたチップとを有するスパークプラグの製造方法であって、
前記電極母材の一部と前記チップの一部とを溶融させた溶融部を形成することで、該電極母材に該チップを溶接する溶接工程と、
該溶接工程後、該溶融部の融点よりも高く、該電極母材及び該チップの融点よりも低い温度で加熱することにより、該溶融部を再溶融する再溶融工程とを備え、
前記再溶融工程は、前記溶融部にレーザ光を照射し、
前記レーザ光は、前記電極母材、前記チップ及び前記溶融部以外を焦点として、少なくとも前記溶融部を全て含むように照射し、
軸線を通る仮想断面にて切断した時、前記焦点は、前記電極母材に対して前記チップとは反対側に位置することを特徴とする。

本発明のスパークプラグの製造方法は、電極母材の一部とチップの一部とを溶融した溶融部を形成することで、電極母材にチップを溶接する溶接工程を備える。このため、溶接不足によって、チップが電極母材から剥離することを防止できる溶接条件にてチップを電極母材に溶接することができる。

そして、本発明のスパークプラグの製造方法は、溶接工程後、溶融部の融点よりも高く、電極母材及びチップの融点よりも低い温度で加熱することにより、溶融部を再溶融する再溶融工程を備える。これにより、溶接工程時に、溶融部に生じる溶接ダレやスパッタ等を再溶融することができ、得られるスパークプラグに溶接ダレやスパッタが残存しにくくなる。

このため、本発明のスパークプラグの製造方法によって得られたスパークプラグは、使用中に溶接ダレやスパッタが中心電極と接地電極とを短絡させ難く、従来のような面倒な作業を行わなくても、高い耐久性を発揮することができる。また、こうして得られたスパークプラグは、溶接ダレやスパッタによって品質に差が出る懸念を払拭することもできる。

したがって、本発明のスパークプラグの製造方法によれば、チップが電極母材から剥離することを容易に防止し、耐久性の維持と製造コストの低廉化との両立を実現することができる。

なお、溶融部は電極母材とチップとの合金となっており、溶融部の融点は電極母材及びチップの融点よりも低い温度となっていることは言うまでもない。このため、再溶融工程では、溶融部の融点よりも高い温度にて加熱することも言うまでもない。また、溶融部は、電極母材の一部及びチップの一部を溶融させた部位（図６におけるＢ１０）だけでなく、溶接ダレやスパッタを含む。

さらに、本発明のスパークプラグの製造方法は、再溶融工程では、溶融部にレーザ光を照射する。このように、レーザ光を用いて再溶融工程を行うことで、製造コストの低廉化を図ることができる。

また、本発明のスパークプラグの製造方法は、レーザ光が電極母材、チップ及び溶融部以外を焦点とする。電極母材、チップ及び溶融部以外を焦点とするレーザ光は、これらを焦点とするレーザ光よりも、電極母材、チップ及び溶融部にエネルギーが集中することがないことから、容易に電極母材及びチップの融点より低く、かつ、溶融部の融点よりも高くできる。

さらに、本発明のスパークプラグの製造方法は、レーザ光が少なくとも溶融部を全て含むように照射する。レーザ光の焦点が電極母材、チップ及び溶融部以外となる際に、レーザ光が溶融部を全て含むように照射することで、溶融部全体を一度に再溶融でき、製造コストの低廉化の効果が大きくなる。

また、本発明のスパークプラグの製造方法は、軸線を通る仮想断面にて切断した時、焦点が電極母材に対してチップとは反対側に位置する。焦点が電極母材に対してチップ側に配置するよりも、焦点が電極母材に対してチップとは反対側に位置することで、容易にレーザ光の再溶融条件を得ることができる。

なお、本発明のスパークプラグの製造方法において、再溶融工程前の溶接工程としては、抵抗溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接等を採用することができる。これらのうち、レーザ溶接を溶接工程として採用することが好ましい。これにより、溶接工程と再溶融工程とを同じ設備によって行うことができるため、スパークプラグを安価に大量生産することができる。

また、接地電極の場合、再溶融後にチップの放電ギャップを形成する先端面は、溶接ダレ等により溶融部により覆われることがある。このとき、溶融部によってチップが全て覆われてしまうと、放電ギャップの距離が変化するため、スパークプラグの性能が低下するおそれがある。さらに、チップの先端面が全て覆われた場合、チップの先端面を覆う溶融部にブローホール（気泡）等が形成され、スパークプラグの性能が低下するおそれもある。よって、チップの先端面のうち少なくとも一部が露出していることが好ましく、チップ先端面の５０％以上露出していることがより好ましく、８０％以上が露出していることがさらに好ましい。

（試験例１）
実施形態のスパークプラグ１について説明する。このスパークプラグ１は、背景技術にて説明したスパークプラグ１００と同様の形態を有するので、図５を用いて説明し、同様の構成については、同記号を用いる。

図５に示すように、本実施形態のスパークプラグ１は、筒状の主体金具９１、先端部が突出するようにその主体金具９１内に嵌め込まれた絶縁体９２、先端部を突出させた状態で絶縁体９２の内側に設けられた中心電極９３、主体金具９１に一端が結合され、他端側が中心電極９３の先端と対向するように配置された接地電極９４等を備えている。そして、接地電極９４と中心電極９３との間には放電ギャップｇが形成されている。

主体金具９１は炭素鋼等で形成され、主体金具９１の先端側（図５の下方側）外周面には取付け用のねじ部９１１が形成されている。また、ねじ部９１１の後端側には、鍔部９１２、スパークプラグ１をシリンダヘッド等に取り付ける際に工具をあてがう工具係合部９１３が形成されている。このスパークプラグ１は、該ねじ部９１１により例えばガソリンエンジン（内燃機関）のシリンダヘッドに取り付けられる。そして、その状態で後述する接地電極９４と中心電極９３との間に高電圧を印加することにより、放電ギャップｇに火花放電して、該エンジンの着火源としての役割を果たすこととなる。

一方、主体金具９１の内周には、先端側に向かって縮径する段部９１４が形成されており、この段部９１４にパッキン６を介して後述する絶縁体９２の段部９２４が係合し、絶縁体９２が主体金具９１に固定される。

絶縁体９２は、軸線方向中央部に鍔部９２１が形成され、さらにその先端側に向かって、中径部９２２、小径部９２３が形成されている。そして、中径部９２２と小径部９２３とを連結する段部９２４が形成されており、この段部９２４が主体金具９１の段部９１４に係合する。他方、鍔部９２１の後端側には、コルゲーション部９２５が形成されている。

絶縁体９２は、軸孔９２６が軸方向に形成されており、その後端側に端子９５が挿入・固定され、同じく先端側に中心電極９３が挿入・固定されている。そして、軸孔９２６内には、この中心電極９３と端子９５とを電気的に接続する導電性ガラスシール層７、抵抗体８、導電性ガラスシール層９が先端側から順に配置されている。なお、抵抗体８を省略し、端子９５と中心電極９３とを単一の導電性ガラスシール層で接合するようにしてもよい。

中心電極９３は、電極母材Ｍ２０がインコネル（Inconel；登録商標）等のＮｉ合金で構成されている。そして、後述の方法を用いて、先端側にチップＴ２０が溶接されている。なお、チップＴ２０は、Ｐｔ−１３Ｉｒ等のＰｔ合金、Ｉｒ−５Ｐｔ等のＩｒ合金等の貴金属から形成されている。一方、中心電極９３にはＣｕ等の芯材９３１が挿入されている。なお、中心電極９３は、芯材９３１がなくともよい。

接地電極９４は、電極母材Ｍ１０がインコネル等のＮｉ合金で構成されている。そして、後述の方法を用いて、先端側にチップＴ１０が溶接されている。なお、チップＴ１０は、Ｐｔ−２０Ｉｒ、Ｐｔ−１０Ｎｉ等のＰｔ合金やＩｒ合金等の貴金属から形成されている。

次に、本実施形態のスパークプラグ１の製造方法について説明する。なお、公知の製造方法については、簡略化又は省略し、本発明の電極母材Ｍ１０、Ｍ２０とチップＴ１０、Ｔ２０との溶接工程及びその後の再溶融工程を中心に説明する。また、下記説明は、接地電極９４用の電極母材Ｍ１０とチップＴ１０との溶接工程及び再溶融工程を説明するが、中心電極９３用の電極母材Ｍ２０及びチップＴ２０の溶接工程及び再溶融工程についても同様である。

まず、主体金具９１、絶縁体９２及び中心電極９３をそれぞれ公知の手法によりそれぞれの寸法に作製する。なお、中心電極９３は、後述する溶接工程及び再溶融工程を経て説明する電極母材Ｍ２０の先端側にチップＴ２０が溶接されている。そして、絶縁体９２の後端側から中心電極９３挿入する。その後、導電性ガラスシール層７、抵抗体８、導電性ガラスシール層９を順に充填し、さらに、後端側に端子９５を挿入し、公知の手法により封止する。その後、その絶縁体９２の段部９２４をパッキン６を介して、主体金具９１に係合させ、主体金具９１の後端側に設けられた加締め部９１５にて加締めることで、主体金具９１に絶縁体９２を固定する。その後、主体金具９１の先端に電極母材Ｍ１０の一端部を公知の手法により接合する。

そして、電極母材Ｍ１０の後端側にチップＴ１０を溶接する。なお、電極母材Ｍ１０とチップＴ１０との溶接方法は、抵抗溶接、レーザ溶接等を使用することができる。以下、図面を使用して具体的に説明する。

まず、図１に示すように、接地電極９４用の電極母材Ｍ１０とチップＴ１０とを用意した。電極母材Ｍ１０は、インコネル６０１のＮｉ合金からなる幅２．７ｍｍ、厚さ１．３ｍｍの棒状のものである。チップＴ１０は、白金合金からなる直径１．１ｍｍ、厚さ０．４ｍｍの円柱状のものである。

次に、溶接工程として、それぞれ電極母材Ｍ１０上にチップＴ１０を設けて抵抗溶接を行った。抵抗溶接の条件は、溶接不足によってチップＴ１０が電極母材Ｍ１０から剥離することがないように、サイクル１０（アップスロープ５サイクル）、電流９００Ａ、加圧力２５ｋｇｆとした。

これにより、それぞれ電極母材Ｍ１０の一部とチップＴ１０の一部とを溶融させた溶融部Ｗ１０を形成し、電極母材Ｍ１０にチップＴ１０を溶接した。溶接工程後の切断面の光学顕微鏡写真を図２に示す。図（ａ）は２０倍の写真であり、図（ｂ）は４０倍の写真である。ここで、得られた各溶融部Ｗ１０には、図２に示すように、溶接ダレＷ１やスパッタＷ２が発生していた。

このため、再溶融工程として、焦点Ｆを電極母材Ｍ１０に対してチップＴ１０とは反対側に配置したレーザ光Ｌを照射し、溶融部Ｗ１０を再溶融させた。レーザ照射装置は住友重機械工業（株）製のＹＡＧレーザ装置「ＪＫ７０２Ｈ」である。レーザ光Ｌのショット間隔は、パルス幅２．５秒、パルス周波数１０Ｈｚのものである。焦点Ｆは、電極母材Ｍ１０のチップＴ１０側の面から３ｍｍ離れた位置とした。そして、レーザ光Ｌ内に少なくとも溶融部Ｗ１０を含むようにし、電力量１５０Ｗのレーザ光Ｌを５回ショットした。こうして、接地電極９４を得た。

そして、接地電極９４の断面を観察した。この際、チップＴ１０の中心を通り、電極母材Ｍ１０のチップＴ１０側の面に対して垂直な面によって各接地電極９４を切断し、この切断面を腐食させてから光学顕微鏡写真の撮影を行った。この切断面の光学顕微鏡写真を図３に示す。図（ａ）は２０倍の写真であり、図（ｂ）は４０倍の写真である。

図３より、接地電極９４は、溶接ダレＷ１やスパッタＷ２が再溶融されることにより残存しておらず、極めて滑らかな溶融部Ｗ１０が形成されていることがわかる。

このため、図５に示すように、この接地電極９４を採用したスパークプラグ１は、使用中に溶接ダレＷ１等が中心電極９３と接地電極９４とを短絡させるおそれがなく、従来のような面倒な作業を行わなくても、高い耐久性を発揮することができるのである。また、こうして得られたスパークプラグ１は、溶接ダレＷ１等によって品質に差が出る懸念を払拭することもできる。

したがって、スパークプラグ１の耐久性の維持と製造コストの低廉化との両立を実現することができるのである。

さらに、この製造方法は、再溶融工程では、溶融部Ｗ１０にレーザ光Ｌを照射するため、製造コストの低廉化を図ることができる。

また、電極母材Ｍ１０、チップＴ１０及び溶融部Ｗ１０以外を焦点Ｆとするレーザ光Ｌは、これらを焦点Ｆとするレーザ光Ｌより、溶融部Ｗ１０にエネルギーが集中することがないことから、容易に電極母材Ｍ１０及びチップＴ１０の融点より低く、かつ溶融部Ｗ１０の融点よりも高くできる。

さらに、この製造方法は、レーザ光Ｌが少なくとも溶融部Ｗ１０を全て含むように照射するため、溶融部Ｗ１０全体を一度に再溶融でき、製造コストの低廉化の効果が大きい。

また、この製造方法は、軸線を通る仮想断面にて切断した時、焦点Ｆが電極母材Ｍ１０に対してチップＴ１０とは反対側に位置するため、容易にレーザ光Ｌの再溶融条件を得ることができる。

（試験例２）
試験例２では、図５に示す接地電極９４を作製した後、バーナによる耐久試験を行った。

まず、試験例１と同様、図１に示すように、複数の接地電極９４用の電極母材Ｍ１０とチップＴ１０とを用意して、それぞれ抵抗溶接による溶接工程を行なった。こうして、再溶融工程を行わずに得られた各接地電極９４のうち、二つを比較品１、２とする。

次に、残りの各接地電極９４を対象として、試験例１と同様に再溶融工程を行なった。得られた接地電極９４を試験品１、２とする。

続いて、得られた試験品１、２及び比較品１、２の接地電極９４を対象として、バーナによる耐久試験を行なった。バーナによる冷熱条件は、バーナを２分間ＯＮとして温度９００°Ｃに保ち、続いて１分間ＯＦＦとすることを１サイクルとした場合の１０００サイクルとした。

各接地電極９４の試験例１と同様の断面を観察した。そして、図４に示すように、それぞれチップＴ１０の電極母材Ｍ１０側の面の切断面上の長さＨと、チップＴ１０の電極母材Ｍ１０側の面と電極母材Ｍ１０との間に生じたクラックＣの切断面上の長さＡ（図４のＡ１とＡ２とを足した値）とを測定した。そして、割合Ａ／Ｈをクラック率（％）として算出した。レーザ条件及びこれらの結果を表１に示す。

表１より、試験品１、２及び比較品１、２は、バーナによる耐久試験によっても、クラックＣが進行し難いことがわかる。このため、再溶融工程を行なったとしても、チップＴ１０の耐剥離性を維持できることがわかる。

次に、スパークプラグ１の製造方法の別実施形態について説明する。なお、別の実施形態は、溶接工程及びその後の再溶融工程が本実施形態と異なるものであり、その他の製造方法については省略し、溶接工程及び再溶融工程を中心に説明する。

まず、溶接工程として、電極母材Ｍ１０上にチップＴ１０を設けて、その境界に焦点Ｆが配置されるようにレーザ光Ｌを照射し、レーザ溶接を行う。これにより、電極母材Ｍ１０の一部とチップＴ１０の一部とを溶融させた溶融部Ｗ１０が形成される。なお、この溶融部Ｗ１０には、溶接ダレＷ１やスパッタＷ２が発生している。

次に、再溶融工程として溶接工程時のレーザ光Ｌを用いて溶融部Ｗ１０の再溶融を行う。具体的には、電極母材Ｍ１０とチップＴ１０との境界に位置するレーザ光Ｌの焦点Ｆを電極母材Ｍ１０に対してチップＴ１０とは反対側の所定位置にずらして、溶融部Ｗ１０の再溶融を行った。

このように、溶接工程と再溶融工程とを同じレーザ光Ｌを用いて行うことで、スパークプラグ１を安価に大量生産することができる。

以上において、本発明を試験例１、２に即して説明したが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。例えば、本発明を中心電極９３について適用することは当然に可能である。

本発明はスパークプラグの製造方法に利用可能である。

試験例１、２に係り、接地電極の断面図である。 試験例１に係り、溶接工程後の接地電極の断面を示し、図（ａ）は２０倍の光学顕微鏡写真であり、図（ｂ）は４０倍の光学顕微鏡写真である。 試験例１に係り、再溶融工程後の接地電極の断面を示し、図（ａ）は２０倍の光学顕微鏡写真であり、図（ｂ）は４０倍の光学顕微鏡写真である。 試験例２の接地電極の断面図である。 スパークプラグの一部破断断面図である。 従来の接地電極の断面図である。

符号の説明

９１…主体金具
９２ａ…軸孔
９２…絶縁体
９３…中心電極
９４ａ…一端部
９４ｂ…他端部
ｇ…放電ギャップ
９４…接地電極
Ｍ１０、Ｍ２０…電極母材
Ｔ１０、Ｔ２０…チップ
１…スパークプラグ
Ｗ１０…溶融部（Ｗ１…溶接ダレ、Ｗ２…スパッタ）
Ｌ…レーザ光
Ｆ…焦点

Claims (2)

1. 筒状の主体金具と、該主体金具が取り囲むようにして当該主体金具に固定され、軸孔を有する筒状の絶縁体と、先端を該絶縁体の先端から突出させて該絶縁体内に固定された中心電極と、該主体金具に一端部が固定され、他端部と該中心電極との間に放電ギャップを形成する接地電極とを備え、該中心電極及び該接地電極の少なくとも一方は、電極母材と、該電極母材の該放電ギャップを形成する位置に溶接されたチップとを有するスパークプラグの製造方法であって、
   前記電極母材の一部と前記チップの一部とを溶融させた溶融部を形成することで、該電極母材に該チップを溶接する溶接工程と、
   該溶接工程後、該溶融部の融点よりも高く、該電極母材及び該チップの融点よりも低い温度で加熱することにより、該溶融部を再溶融する再溶融工程とを備え、
   前記再溶融工程は、前記溶融部にレーザ光を照射し、
   前記レーザ光は、前記電極母材、前記チップ及び前記溶融部以外を焦点として、少なくとも前記溶融部を全て含むように照射し、
   軸線を通る仮想断面にて切断した時、前記焦点は、前記電極母材に対して前記チップとは反対側に位置することを特徴とするスパークプラグの製造方法。
2. 前記溶接工程は、レーザ光を照射することにより、前記電極母材に前記チップを溶接し、
   前記再溶融工程は、該溶接工程におけるレーザ光を用いて行うことを特徴とする請求項１記載のスパークプラグの製造方法。