JP4674696B2 - 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。

スパークプラグの中には、対向する中心電極および外側電極に、耐消耗性に優れた貴金属からなる貴金属チップを設けて、着火性や耐久性の向上を図ったものがある。
また、中心電極あるいは外側電極への貴金属チップの接合には、レーザ溶接を用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−３６８５６公報

特許文献１に記載のスパークプラグでは、貴金属チップが、中心電極との境界部を全周にわたりレーザ溶接され、楔形の溶融凝固合金部を介してこの中心電極と接合している。レーザ溶接により、貴金属チップを変形させずに中心電極の先端面に溶接することが可能で、これにより、繰り返し熱応力がかかっても、貴金属チップの剥離が防止されたスパークプラグとすることができるとされている。

しかしながら、特許文献１では、レーザ溶接に用いるレーザビームの品質、例えば広がり角については何ら言及されていなかった。一方、貴金属チップをレーザ溶接したスパークプラグにおいては、使用するレーザ照射装置によって貴金属チップの耐剥離性にばらつきの生じることが判ってきた。

そこで、発明者らが、レーザビームの品質と耐剥離性との関係について、研究を重ねたところ、レーザビームの広がり角と耐剥離性に関係があることを見出した。
本発明は、かかる現状を鑑みてなされたものであって、電極母材もしくはチップ基材と貴金属チップとの、または、主体金具と外側電極との耐剥離性を向上できるスパークプラグの製造方法を提供することを目的とする。

そして、その解決手段は、電極母材と、これにレーザ溶接されてなる貴金属チップと、または、電極母材と、これに接合してなるチップ基材と、上記チップ基材にレーザ溶接されてなる貴金属チップと、を有するスパークプラグの製造方法であって、レーザビームを上記レーザ溶接を行う溶接予定部へ導く転送光学系への入射時点でのＢＰＰ値が、２５ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）以下の上記レーザビームを用いて、上記電極母材と、または、上記チップ基材と、上記貴金属チップとの上記レーザ溶接を行うレーザ溶接工程を備え、上記スパークプラグは、中軸側電極母材と、これにレーザ溶接されてなる中軸側貴金属チップと、または、中軸側電極母材と、これに接合してなる中軸側チップ基材と、上記中軸側チップ基材にレーザ溶接されてなる中軸側貴金属チップと、を備える中心電極と、外側電極側電極母材と、これにレーザ溶接されてなる外側電極側貴金属チップと、または、外側電極側電極母材と、これに接合してなる外側電極側チップ基材と、上記外側電極側チップ基材にレーザ溶接されてなる外側電極側貴金属チップと、を備える外側電極と、を有するスパークプラグであり、上記中軸側電極母材と上記中軸側貴金属チップ、または、上記中軸側チップ基材と上記中軸側貴金属チップとのレーザ溶接に用いられる上記レーザビームの上記転送光学系への入射時点のＢＰＰ値に比べ、上記外側電極側電極母材と上記外側電極側貴金属チップ、または、上記外側電極側チップ基材と上記外側電極側貴金属チップとの上記レーザ溶接に用いられる上記レーザビームの前記転送光学系への入射時点のＢＰＰ値が小さいスパークプラグの製造方法である。

本発明の製造方法では、レーザ溶接工程で、レーザ溶接に用いるレーザビームとして、そのＢＰＰ値が、転送光学系への入射時点で２５ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）以下のレーザビームを用いる。このレーザ溶接工程を経て製造したスパークプラグは、これよりも大きなＢＰＰ値のレーザビームを用いて製造したスパークプラグに比べ、貴金属チップの耐剥離性を高くすることができる。すなわち、貴金属チップの耐剥離性を向上させたスパークプラグを製造することができる。

なお、ＢＰＰ値（ビームパラメータ積）は、レーザビームの品質を示すパラメータの１つであり、焦点でのレーザビーム半径ω（ｍｍ）とレーザビームの広がりの半角度θ（ｍｒａｄ）の積で表す。
ＢＰＰ＝ω・θ（ｍｍ・ｍｒａｄ）・・・（１）

上述のように差が生じる理由の詳細は不明であるが、以下が推測される。
例えば、小さいＢＰＰ値（ＢＰＰａ）を持つレーザビームａを用いた場合と、大きなＢＰＰ値（ＢＰＰｂ）を持つレーザビームｂを用いた場合（ＢＰＰａ＜ＢＰＰｂ）とを比べる。光学系の収差等を無視し、焦点でのスポット径ｄ、光学系の焦点距離ｆ、入射ビーム径Ｄとすると、ｄ＝（４ｆ／Ｄ）×ＢＰＰの関係があることが知られている。従って、レーザビームａおよびレーザビームｂの、焦点でのスポット径ｄと入射ビーム径Ｄとをそれぞれ同一とすると、光学系の焦点距離ｆ（ｆａとｆｂ）をｆａ＞ｆｂにできることが判る。つまり、焦点の前後の部分において、レーザビームａの方が、レーザビームｂよりビーム径を細くできることが判る。従って、ＢＰＰ値の小さいレーザビームを用いてレーザ溶接を行えば、細く深い部分まで溶融させることができる。このため、貴金属チップと電極母材（あるいはチップ基材）とが溶融した部分のうち、表面に近い部分と深部とで溶融部分（断面における幅）の差が小さくなる。これが、貴金属チップの耐剥離性に寄与していると考えられる。
特に、熱膨張率の異なる、貴金属チップとＮｉ合金等を接合するにあたり、このような形態とすることが好ましいと考えられる。
そのほか、レーザ溶接の際、焦点距離ｆを長くできる分、ワーク（貴金属チップ等）から光学系などレーザビームの出力位置を離すことができるので、レーザ溶接の際に生じるスパッタが、レンズその他光学系の部材に付着したり、ワークやこれを保持する部材等と光学系との干渉が生じるのを防止しやすい。

なお、転送光学系への入射時点でのＢＰＰ値とは、レーザ光源から出射したレーザビームを、貴金属チップなどの溶接予定部にまで導くミラー、レンズ等の転送光学系への入射部分におけるレーザビームの有するＢＰＰ値を指す。従って、例えば、レーザ光源から溶接予定部までの間にミラーを介在させる場合は、ミラーへ入射する部位における、レーザビームのＢＰＰ値を指す。また、光ファイバを介在させる場合には、光ファイバへ入射する部位におけるレーザビームのＢＰＰ値を指す。さらに、レーザ光源からミラー等の光学機器を介在させず、溶接予定部にレーザビームを直接照射する場合（レーザ光源から出射したレーザビームが空間のみを介して溶接予定部に届く場合）は、レーザ光源から出射したレーザビームのＢＰＰ値を指す。

また、貴金属チップとしては、例えば、使用による消耗が少ない貴金属からなるチップが挙げられ、さらに具体的には、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｉｒに稀土類酸化物を添加したもの、Ｐｔ−Ｉｒ合金材、Ｉｒ−Ｒｈ合金材等からなるものが挙げられる。
また、電極母材としては、耐熱性の良好な合金であれば良く、例えば、インコネル６００（商標名）等、Ｃｒ、Ｆｅを含むＮｉ合金からなるものが挙げられる。
チップ基材としては、例えば、インコネル６００等、Ｃｒ、Ｆｅを含むＮｉ合金からなるものが挙げられ、貴金属チップをレーザ溶接した後に、電極母材に接合すると良い。
ところで、スパークプラグでは、一般的に、外側電極の方が中心電極よりも燃焼室の中央部に突き出した状態でシリンダヘッドに配置されるため、外側電極の方が中心電極に比べて高温になりやすい。従って、中心電極および外側電極のそれぞれに貴金属チップを備えたスパークプラグにおいては、中軸側貴金属チップの耐剥離性に比べて、外側電極側貴金属チップの耐剥離性を高めておく必要がある。
そこで、本発明の製造方法では、中軸側電極母材（あるいは中軸側チップ基材）と中軸側貴金属チップとのレーザ溶接に用いられるレーザビームの転送光学系への入射時点のＢＰＰ値に比べ、外側電極側電極母材（あるいは外側電極側チップ基材）と外側電極側貴金属チップとのレーザ溶接に用いられるレーザビームの転送光学系への入射時点のＢＰＰ値を小さくしている。このため、外側電極側貴金属チップと外側電極側電極母材（あるいはチップ基材）とが溶融した部分のうち、表面に近い部分と深部とで溶融部分（断面における幅）の差が小さくなり、外側電極側貴金属チップの耐剥離性を高めることができる。

さらに、上述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は、前記貴金属チップの軸線を中心に、上記貴金属チップおよび前記電極母材と、または、上記貴金属チップおよび前記チップ基材と、前記レーザビームと、を相対的に回転させつつ、上記貴金属チップの全周にわたって前記レーザ溶接を行う全周レーザ溶接工程であるスパークプラグの製造方法とすると良い。

本発明のレーザ溶接工程は、全周にわたって、ＢＰＰ値が前述のように小さいレーザビームを照射する全周レーザ溶接工程を含む。従って、貴金属チップの耐剥離性を全周にわたって確実に向上させたスパークプラグを製造することができる。

なお、貴金属チップの軸線を軸にして、相対的に回転させるように、全周にレーザビーム照射を行うには、レーザビームの照射装置を固定した状態で、貴金属チップと電極母材と、または貴金属チップとチップ基材とを、貴金属チップの軸線を中心に回転させて、レーザビームを照射する場合が挙げられる。また、これとは逆に、貴金属チップおよび電極母材の位置を、または貴金属チップおよびチップ基材の位置を固定した状態で、レーザビーム照射装置を貴金属チップの軸線の周りを移動させながら、レーザビームを照射しても良い。
また、本発明に用いるレーザビームは、パルスレーザビームでも良いし、ＣＷレーザビームでも良い。

さらに、上述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が溶け合った溶融部、または、前記チップ基材と前記貴金属チップとが溶け合った溶融部が、前記貴金属チップの径方向中心で繋がるように前記レーザ溶接を行うスパークプラグの製造方法とすると良い。

貴金属チップの耐剥離性を高めるためには、貴金属チップと電極母材（あるいはチップ基材）とが溶け合った溶融部が貴金属チップの径方向中心で繋がる（換言すれば、貴金属チップの径方向中心において未溶融部が存在しない）ように、レーザ溶接を行うことが望ましい。しかしながら、従来の大きなＢＰＰ値を持つレーザビームを用いて上記のようなレーザ溶接を行うと、貴金属チップと電極母材（あるいはチップ基材）とが溶融した部分のうち、表面に近い部分の高さが大きくなってしまい、貴金属チップのうち溶融していない部分の長さが短くなって、スパークプラグとしての着火性が低下するおそれがあった。

これに対して、本発明の製造方法では、ＢＰＰ値の小さいレーザビームを用いているため、細く深い部分まで溶融させることができる。このため、溶融部が貴金属チップの径方向中心で繋がるようにしてレーザ溶接を行っても、貴金属チップのうち溶融していない部分の長さを十分確保することができ、スパークプラグとしての着火性および貴金属チップの耐剥離性を確保することができる。

さらに、上述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、複数の前記溶接予定部に対して同時に複数の前記レーザビームが照射されるスパークプラグの製造方法とすると良い。

貴金属チップと電極母材（あるいはチップ基材）とのレーザ溶接を効率良く行うためには、複数のレーザビームを貴金属チップと電極母材（あるいはチップ基材）との溶接予定部に対して同時に照射することが望ましい。しかしながら、複数のレーザビームが同時に照射されると、一つのレーザビームが照射された場合に比べて貴金属チップおよび電極母材（あるいはチップ基材）が単位時間あたりに受熱する熱量が多いために、スパッタが発生しやすく、発生したスパッタがレンズその他光学系の部材に付着してしまうおそれがあった。

これに対して、本発明の製造方法では、ＢＰＰ値の小さいレーザビームを用いているため、レーザ溶接の際、焦点距離ｆを長くできる分、ワーク（貴金属チップ等）から光学系などレーザビームの出力位置を離すことができる。このため、複数の溶接予定部に対して同時に複数のレーザビームを照射しても、レーザ溶接の際に生じるスパッタが、レンズその他光学系の部材に付着するのを防止しやすい。

さらに、上述のスパークプラグの製造方法であって、前記転送光学系に用いる光ファイバとして、ステップインデックス形光ファイバを用いるスパークプラグの製造方法とすると良い。

ＢＰＰ値の小さいレーザビームを用いてレーザ溶接を行うと、細く深い部分まで溶融させることができる反面、スパッタが発生しやすい傾向がある。これに対して、本発明の製造方法では、転送光学系に用いる光ファイバとして、ステップインデックス（ＳＩ）形光ファイバを用いるため、レーザ光におけるエネルギ分布が均一に近づく。このため、グレーデッドインデックス（ＧＩ）形光ファイバのように、レーザ光における光軸付近のエネルギ分布が過度に高められることがなく、スパッタの発生を抑えることができる。

（実施形態）
本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
本実施形態にかかるスパークプラグ１００の側面図を図１に示す。このスパークプラグ１００は、図示しないエンジンのシリンダヘッドに取り付けられて使用される内燃機関用のスパークプラグである。スパークプラグ１００は、主として、主体金具１０５、絶縁体１１１、中心電極１２１、および外側電極１３１を備える。

主体金具１０５は、筒形形状であり低炭素鋼などの金属からなる。そして、フランジ部１０２と、これより基端側（図中上方）に位置し、スパークプラグ１００の取り付けに用いる工具を係合させる断面六角形状の工具係合部１０３と、さらに、その基端側に位置し、絶縁体１１１を主体金具１０５に加締め固定してなる加締部１０４と、を有する。また、フランジ部１０２の先端側（図中下方）には、フランジ部１０２より細径で、外周にスパークプラグ１００をシリンダヘッドにネジ止めするための取り付けネジ１０６を有する。

絶縁体１１１は、アルミナ系セラミック等からなり、主体金具１０５によって周囲が取り囲まれ、その先端部１１３が主体金具１０５の先端面１０７から先端側（図中下方）に突出すると共に、基端部１１５も主体金具１０５の加締部１０４から基端部（図中上方）に突出している。絶縁体１１１には、軸線方向（図中上下方向）に沿った軸孔（図示しない）が形成されている。この軸孔の先端側（図中下方）には中心電極１２１が、一方、基端側（図中上方）には高電圧を中心電極１２１に導く端子金具１４１が挿入、固定されている。

中心電極１２１は、その先端部１２３が絶縁体１１１の先端面１１４から突出した状態で、絶縁体１１１の軸孔に貫通保持されている。中心電極１２１は、図示しないが、熱伝導性が高いＣｕを主成分とする銅芯部と、Ｎｉを主成分とするインコネル６００材からなり、銅芯部を取り囲む外層部とを有する。中心電極１２１の先端（図中下方）には、円柱状の中心電極チップ１５１がレーザ溶接により接合され、その軸線ＡＸ１が中心電極１２１の軸線と一致した状態で、先端側（図中下方）に向かって突出している。中心電極チップ１５１は、Ｉｒ−５％Ｐｔ合金からなり、チップ直径は０．６ｍｍである。

外側電極１３１は、Ｎｉを主成分とするインコネル６００材からなり、一端が主体金具１０５の先端面１０７に接合され、他端が中心電極１２１の軸線側に向けて屈曲されている。その中心を向く対向面（チップ接合面１３３）には、円柱状の外側電極チップ１６１がレーザ溶接され、その軸線ＡＸ２がチップ接合面１３３に垂直な状態で基端側（図中上方）に向かって突出している。そして、外側電極チップ１６１と中心電極チップ１５１との間隙が、火花放電を生じさせる火花放電ギャップＧ１となっている。この外側電極チップ１６１は、Ｐｔ−２０％Ｒｈ合金からなり、チップ直径は０．７ｍｍである。

次いで、本実施形態にかかるスパークプラグ１００の製造方法のうち、中心電極チップ１５１のレーザ溶接方法について、図２および図３を参照しつつ説明する。
まず、公知の手法により形成した中心電極１２１を用意する（図２参照）。この接合前の中心電極１２１は、その先端部１２３が、基端側（図中下方）に位置する径大部１２４と、先端側（図中上方）に位置し、平坦な電極先端面１２９を有する細径な電極先端部１２８と、これらの間に位置するテーパ部１２６とからなる。
また一方で、中心電極チップ１５１を用意する。この接合前の中心電極チップ１５１は、チップ先端面１５３と、チップ基端面１５７と、これらに繋がるチップ側面１５５とを有する円柱形状をなす。

本実施形態にかかる中心電極全周レーザ溶接工程では、まず電極先端面１２９にチップ基端面１５７が接し、この中心電極チップ１５１の軸線ＡＸ１が中心電極１２１の軸線に一致するように中心電極チップ１５１を配置しておく。次に、水平方向（図中左右方向）、中心電極チップ１５１のチップ基端部１５８および中心電極１２１の電極先端部１２８に向けて、第１レーザビームＰＬ１を照射し、中心電極チップ１５１のチップ基端部１５８と中心電極１２１の電極先端部１２８とを溶融させて、中心電極チップ１５１と中心電極１２１を接合する。具体的には、レーザ照射装置ＬＫを所定位置に固定し、中心電極チップ１５１と中心電極１２１とを軸線ＡＸ１を中心として回転させて、パルス状の第１レーザビームＰＬ１を順次照射する（ショット数：９発）。なお、レーザパルスの照射エネルギは３Ｊ／パルスである。また、第１レーザビームＰＬ１を、中心電極チップ１５１（チップ基端部１５８）と中心電極１２１（電極先端部１２８）とが溶け合った溶融部が中心電極チップ１５１の径方向中心で繋がるように照射するのが、中心電極チップ１５１の耐剥離性を向上させる観点から好ましい。
これにより、図３に示すように、中心電極チップ１５１が第１接合部位１５９を介して中心電極１２１に接合される。この第１接合部位１５９は、第１レーザビームＰＬ１照射前のチップ基端部１５８および電極先端部１２８をなす金属（あるいは合金）が、一旦溶融し混ざり合った組成を有する。

中心電極チップ１５１を中心電極１２１に接合した後は、公知の手法により、この中心電極１２１を別途形成しておいた絶縁体１１１に組み付けると共に、抵抗体や端子金具１４１も絶縁体１１１に組み付け、ガラスシールを行う。
さらにこれらを、主体金具１０５に、公知の手法により組みつけ、その後、主体金具１０５に棒状の外側電極１３１ｂ（屈曲加工されていない状態の四角棒状の外側電極１３１）を接合する。

次いで、スパークプラグ１００の製造方法のうち、外側電極チップ１６１の溶接方法について、図４および図５を参照しつつ説明する。
まず、外側電極チップ１６１を用意する（図４参照）。この外側電極チップ１６１も、中心電極チップ１５１と同様、チップ先端面１６３と、チップ基端面１６７と、これらに繋がるチップ側面１６５と、を有する円柱形状をなす。

外側電極チップ１６１のチップ基端面１６７を外側電極１３１ｂのチップ接合面１３３に接するように配置しておく（図４参照）。その後、図中、斜め上方（本実施形態では軸線ＡＸ２と５５度をなす方向）から、外側電極チップ１６１のチップ基端部１６８、および外側電極１３１ｂのチップ接合部１３４に向けて、パルス状の第２レーザビームＰＬ２を照射し、チップ基端部１６８とチップ接合部１３４とを溶融させて、外側電極チップ１６１と外側電極１３１ｂとを接合する。この外側電極全周レーザ溶接工程においても、レーザ照射装置ＬＫを所定位置に固定し、外側電極チップ１６１と外側電極１３１ｂとを軸線ＡＸ２を中心として回転させて、第２レーザビームＰＬ２を順次照射する（ショット数：９発）。なお、レーザパルスの照射エネルギは４Ｊ／パルスである。また、第２レーザビームＰＬ２を、外側電極チップ１６１（チップ基端部１６８）と外側電極１３１ｂ（チップ接合部１３４）とが溶け合った溶融部が外側電極チップ１６１の径方向中心で繋がるように照射するのが、外側電極チップ１６１の耐剥離性を向上させる観点から好ましい。
このようにして、図５に示すように、第２接合部位１６９を介して、外側電極チップ１６１が外側電極１３１ｂに接合される。第２接合部位１６９は、第２レーザビームＰＬ２照射前のチップ基端部１６８およびチップ接合部１３４をなす金属（あるいは合金）が、一旦溶融し混ざり合った組成を有する。

その後は、公知の手法により、棒状の外側電極１３１ｂを屈曲加工して外側電極１３１とし、外側電極チップ１６１を、火花放電ギャップＧ１を隔てて中心電極チップ１５１と対向させる。かくして、スパークプラグ１００が完成する。

本実施形態にかかる製造方法で製造したスパークプラグ１００において、レーザ溶接に用いるレーザビームのＢＰＰ値と、中心電極チップ１５１あるいは外側電極チップ１６１の耐剥離性との関係について検証した。
まず、同じＹＡＧレーザのレーザ照射装置（レーザ加工機）ＬＫではあるが、放射するレーザビームＰＬ１，ＰＬ２のＢＰＰ値が異なるレーザ照射装置（５種類）ＬＫを用意し、前述のようにして、中心電極チップ１５１あるいは外側電極チップ１６１をレーザ溶接し、スパークプラグ１００を製造した。

各々のレーザ照射装置ＬＫは、いずれも、レーザ発振器ＬＨから出射するレーザビーム（転送光学系へ入力前のレーザビーム）ＬＬを、転送光学系であるミラーＬＭによって転送し、レーザビームＰＬ１，ＰＬ２を溶接予定部（本実施形態では、チップ基端部１５８および電極先端部１２８、あるいはチップ基端部１６８およびチップ接合部１３４）に導く構成となっている（図２、図４参照）。
但し、各々のレーザ照射装置ＬＫは、ＹＡＧレーザとして、同じ波長（１．０６４μｍ）のレーザビームＰＬ１，ＰＬ２を放射するが、前述したように、レーザビームＰＬ１，ＰＬ２のＢＰＰ値が、互いに異なっている。具体的には、ミラーＬＭへ入力する前のレーザビームＬＬにおいて、ＢＰＰ値が、８，１６，２５，４０，１００ｍｍ・ｍｒａｄの５種類である。

なお、このレーザビームＬＬのＢＰＰ値は、レーザ発振器ＬＨの性能評価（定格）において表示されているものを用いた。そのほか、ＯＰＨＩＲ社製ＢｅａｍＳｔａｒ Ｆｘによって、レーザビームＬＬのＢＰＰ値を実測しても良い。

このように５種類のレーザビームＬＬ（ＰＬ１，ＰＬ２）を用いて製造したスパークプラグ１００について、冷熱サイクルテストを行った。具体的には、Ｌ６エンジン（排気量２０００ｃｃ、ＤＯＨＣ４バルブ）に、スパークプラグ１００を取り付けて、アイドル（アクセルＯＦＦ）状態、および、約６０００ｒｐｍ（アクセル全開）状態をそれぞれ連続で１分間ずつ交互に維持し、これを連続１００時間繰り返して行った。その後、スパークプラグ１００を取り出して、中心電極チップ１５１および外側電極チップ１６１について調査し、剥離率を得た。
具体的には、まず、中心電極チップ１５１の軸線ＡＸ１を通る平面で中心電極チップ１５１および中心電極１２１を切断し、その断面をエッチング処理する。その後、その断面において中心電極チップ１５１と中心電極１２１との接合面を観察して、剥離している部分の長さのうち、中心電極チップ１５１の軸線ＡＸ１に直交する方向の長さを求める。そして、中心電極チップ１５１の軸線ＡＸ１に直交する方向の長さに対する、上述の剥離している部分の合計長さ（剥離している部分の長さのうち、中心電極チップ１５１の軸線ＡＸ１に直交する方向の長さの合計）の割合を、中心電極チップ１５１の剥離率として算出する。
なお、外側電極チップ１６１の場合も同様に、外側電極チップ１６１の軸線ＡＸ２を通る平面で外側電極チップ１６１および外側電極１３１を切断し、その断面をエッチング処理する。その後、断面における外側電極チップ１６１と外側電極１３１との接合面で、外側電極チップ１６１の軸線ＡＸ２に直交する方向の剥離長さに対する、剥離している部分の長さの割合を、外側電極チップ１６１の剥離率として算出する。

図６は、溶接に用いたレーザビームＬＬのＢＰＰ値と、上述の冷熱サイクルテスト後の、中心電極チップ１５１の剥離率との関係を示すグラフである。このグラフによれば、２５ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）以下のＢＰＰ値を持つレーザビームＬＬを用いて溶接を行ったスパークプラグ１００は、その中心電極チップ１５１の剥離率が約１０％程度である。一方、それよりも大きなＢＰＰ値のレーザビームＬＬを用いると剥離率が５０％程度にまで急激に増加することが判る。この理由の詳細は不明であるが、ＢＰＰ値の小さいレーザビームＬＬ（ＰＬ１，ＰＬ２）を用いることで、集光時のビーム広がり角を狭く取ることができることから、焦点前後でのビーム径変化を小さくできる。従って、中心電極チップ１５１と中心電極１２１とは細く深い部分まで溶融され、これにより溶融した部分の、表面に近い部分と深部との溶融部分（断面における幅）の差が小さくなることで、上述の剥離性率の低下に寄与すると考えられる。特に、熱膨張率の異なる、貴金属とＮｉ合金等を接合するにあたり、このような形態とすることが好ましいと考えられる。従って、この結果から本実施形態における中心電極全周レーザ溶接工程では、ＢＰＰ値が２５ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）以下のレーザビームＬＬを用いて、中心電極チップ１５１の溶接を行うと良いことが判る。

次いで、図７は、溶接に用いたレーザビームＬＬのＢＰＰ値と、冷熱サイクルテスト後の、外側電極チップ１６１の剥離率との関係を示すグラフである。このグラフによれば、２５ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）以下のＢＰＰ値を持つレーザビームＬＬで溶接を行ったスパークプラグ１００は、その外側電極チップ１６１の剥離率が約２５％程度である。一方、それよりも大きなＢＰＰ値のレーザビームＬＬを用いると剥離率が７０％以上に増加することが判る。従って、この結果から本実施形態における外側電極全周レーザ溶接工程では、ＢＰＰ値が２５ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）以下のレーザビームＬＬを用いて、外側電極チップ１６１の溶接を行うと良いことが判る。

さらに、本実施形態では、中心電極チップ１５１（チップ基端部１５８）の溶接、および外側電極チップ１６１（チップ基端部１６８）の溶接において、これらの全周にわたって、パルス状のレーザビームＰＬ１，ＰＬ２を照射した。つまり、本実施形態のスパークプラグ１００の製造方法では、耐剥離性を向上可能なＢＰＰ値の小さいレーザビームＬＬを導いたパルス状のレーザビームＰＬ１，ＰＬ２で、中心電極チップ１５１あるいは外側電極チップ１６１の全周をレーザ溶接するので、中心電極チップ１５１および外側電極チップ１６１の耐剥離性を確実に向上させたスパークプラグ１００を製造することができる。
なお、外側電極１３１は中心電極１２１に比べて高温になりやすいため、外側電極チップ１６１の耐剥離性を高めるために、外側電極チップ１６１をレーザ溶接するのに用いるレーザビームのＢＰＰ値を、中心電極チップ１５１をレーザ溶接するのに用いるレーザビームのＢＰＰ値よりも小さくすると良い。例えば、外側電極チップ１６１をレーザ溶接するのに用いるレーザビームのＢＰＰ値を８ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）とし、中心電極チップ１５１をレーザ溶接するのに用いるレーザビームのＢＰＰ値を１６ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）とすることができる。

（変形形態１）
次に、変形形態１にかかるスパークプラグの製造方法について、図８〜図１０を参照しつつ説明する。
本変形形態１の製造方法により製造されたスパークプラグ２００は、外側電極チップ１６１が、チップ基材１７１を介して外側電極１３１に接合している点で、前述のスパークプラグ１００と異なり、それ以外では同様である。
そこで、異なる点を中心として説明すると共に、同様の部分の説明は省略または簡略化するが、同様の部分については同様の作用効果を生じる。また、同内容のものには同番号を付して説明する。

図８は、本変形形態１にかかる製造方法で製造したスパークプラグ２００の概要図である。
チップ基材１７１は、外側電極チップ１６１よりも径大な円板形状の台座部１７２を有し（図８（ｂ）参照）、Ｎｉを主成分とするインコネル６００材からなる。チップ基材１７１には、円柱状の外側電極チップ１６１がレーザ溶接されている。なお、チップ基材１７１の円板軸と外側電極チップ１６１の軸線ＡＸ２とは一致している。そして、外側電極チップ１６１と中心電極チップ１５１との間隙が、火花放電を生じさせる火花放電ギャップＧ２となっている。また、台座部１７２（チップ基材１７１）の底面１７２ｂは、外側電極１３１の基材接合面１３５と抵抗溶接で接合されている。

次いで、本変形形態１にかかるスパークプラグ２００の製造方法について図９および図１０を参照しつつ説明する。
なお、前述の通り、外側電極の製造工程以外は実施形態と同様である。

本変形形態１では、チップ基材全周レーザ溶接工程において、まず、実施形態と同様の外側電極チップ１６１（チップ直径：０．７ｍｍ）のほか、レーザ照射前のチップ基材１７１ｂを用意する。このレーザ照射前のチップ基材１７１ｂは、上述の台座部１７２と、台座部１７２の上面１７２ａに凸状円板状をなす隆起部１７３とを有する。この隆起部１７３の直径は０．８ｍｍである。
チップ基端面１６７が隆起部１７３に接し、外側電極チップ１６１の軸線ＡＸ２がチップ基材１７１ｂの軸線に一致するように、これらを配置しておく。次に、図中、水平方向から、隆起部１７３および外側電極チップ１６１のチップ基端部１６８に向けて、パルス状の第３レーザビームＰＬ３を照射し、隆起部１７３とチップ基端部１６８とを溶融させて、外側電極チップ１６１とチップ基材１７１ｂとを接合する。このチップ基材全周レーザ溶接工程においても、レーザ照射装置ＬＫを所定位置に固定し、外側電極チップ１６１とチップ基材１７１ｂとを軸線ＡＸ２を中心として回転させて、第３レーザビームＰＬ３を順次照射する（ショット数：１８発）。なお、レーザパルスの照射エネルギは１Ｊ／パルスである。また、第３レーザビームＰＬ３を、外側電極チップ１６１（チップ基端部１６８）とチップ基材１７１ｂ（隆起部１７３）とが溶け合った溶融部が外側電極チップ１６１の径方向中心で繋がるように照射するのが、外側電極チップ１６１の耐剥離性を向上させる観点から好ましい。
また、第３レーザビームＰＬ３については、レーザ発振器ＬＨから出射するレーザビームＬＬのミラーＬＭへの入力前におけるＢＰＰ値を２５ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）以下とした。
このようにして、図１０に示すように、第３接合部位２６９を介して、外側電極チップ１６１がチップ基材１７１に接合される。第３接合部位２６９は、第３レーザビームＰＬ３の照射前のチップ基端部１６８および隆起部１７３をなす金属（あるいは合金）が、一旦溶融し混ざり合った組成を有する。

上述のチップ基材全周レーザ溶接工程後、外側電極チップ１６１を接合したチップ基材１７１の底面１７２ｂと、外側電極１３１の基材接合面１３５とを重ね合わせ、抵抗溶接を行い、チップ基材１７１を外側電極１３１に接合する。
その後の工程は、実施形態の外側電極全周レーザ溶接工程以降と同様である。かくして、スパークプラグ２００が完成する。

本変形形態１でも、チップ基材全周レーザ溶接工程においては、ＢＰＰ値が２５ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）以下のレーザビームＬＬ（ＰＬ３）を用いて、外側電極チップ１６１とチップ基材１７１との溶接を行ったので、剥離率を小さくすることができる。

さらに、本変形形態１では、外側電極チップ１６１（チップ基端部１６８）の溶接において、この全周にわたって、パルス状の第３レーザビームＰＬ３を照射した。つまり、本変形形態１のスパークプラグ２００の製造方法では、耐剥離性を向上可能なＢＰＰ値の小さいレーザビームＬＬを導いたパルス状の第３レーザビームＰＬ３で、外側電極チップ１６１の全周をレーザ溶接するので、外側電極チップ１６１の耐剥離性を確実に向上させたスパークプラグ２００を製造することができる。

（変形形態２）
次に、本発明の変形形態２について、図面を参照しつつ説明する。
本変形形態２のスパークプラグの製造方法により製造されたスパークプラグ３００は、主体金具３０５に貴金属からなる棒状の外側電極３６１を斜めに突出させて接合している点、また、中心電極１２１が主体金具３０５の先端面３０７よりも突出していない点で、実施形態等のスパークプラグ１００，２００と異なり、それ以外では同様である。
そこで、異なる点を中心として説明すると共に、同様の部分の説明は省略または簡略化するが、同様の部分については同様の作用効果を生じる。また、同内容のものには同番号を付して説明する。

本変形形態２で製造したスパークプラグ３００を図１１に示す。上述したように、このスパークプラグ３００は、貴金属からなる直棒状の外側電極３６１を主体金具３０５から斜めに突出させた点で、実施形態と異なる。また、絶縁体３１１を実施形態の絶縁体１１１よりも短くして、絶縁体３１１、中心電極１２１、および中心電極チップ１５１が、主体金具３０５の先端面３０７から主体金具３０５の外側に突出していない点で、実施形態と異なる。
また、主体金具３０５は、低炭素鋼などの金属からなり、この先端部３０８の外表面３３１が先細のテーパ面となっている。この外表面３３１上には、直棒状の外側電極３６１１がレーザ溶接されている。なお、外側電極３６１の先端部位３６４と中心電極チップ１５１との間隙が、火花放電を生じさせる火花放電ギャップＧ３となっている。

次いで、本変形形態２にかかる上記スパークプラグ３００の製造方法について図１２および図１３を参照しつつ説明する。なお、中心電極チップ１５１の製造方法については、実施形態と同様であるので、説明を省略する。

図１２において、主体金具３０５は、上述の外表面３３１を有し、この外表面３３１の一部は、外側電極３６１と接合する電極接合面３３４となる。なお、この電極接合面３３４の周辺を、外側電極レーザ溶接工程の際に、レーザビーム（第４レーザビームＰＬ４）を直接受ける電極接合部３３３とする。また、外側電極３６１は、主体金具３０５の電極接合面３３４と接する金具接合面３６５を有する。そして、この金具接合面３６５の周辺を、第４レーザビームＰＬ４を直接受ける金具接合部３６８とする。

さて、外側電極レーザ溶接工程において、主体金具３０５に対し、外側電極３６１の金具接合面３６５が主体金具３０５の電極接合面３３４と接するよう、外側電極３６１を配置する（図１２（ａ）参照）。そして、図１２（ｂ）中、斜め上方から、外側電極３６１の金具接合部３６８および主体金具３０５の電極接合部３３３に向けて、パルス状の第４レーザビームＰＬ４を照射し、金具接合部３６８と電極接合部３３３とを溶融させて、外側電極３６１と主体金具３０５とを接合する。また、第４レーザビームＰＬ４については、ミラーＬＭに入射するレーザビームＬＬのＢＰＰ値を２５ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）以下とした。
かくして、図１３に示すように、第４接合部位３６９を介して、外側電極３６１が主体金具３０５に接合される。第４接合部位３６９は、第４レーザビームＰＬ４の照射前の金具接合部３６８および電極接合部３３３をなす金属（あるいは合金）が、一旦溶融し混ざり合った組成を有する。

上述の主体金具レーザ溶接工程後は、実施形態の外側電極における全周レーザ溶接工程以降と同様である。かくして、スパークプラグ３００が完成する。

本変形形態２でも、外側電極レーザ溶接工程においては、ＢＰＰ値が２５ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）以下のレーザビームＬＬを用いて、外側電極３６１と主体金具３０５との溶接を行ったので、外側電極３６１の剥離率を小さくすることができる。

以上において、本発明を実施形態、変形形態１および変形形態２に即して説明したが、本発明は上述の実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
例えば、実施形態では、中心電極に中心電極チップが溶接され、外側電極にも外側電極チップが溶接されたスパークプラグを製造する方法について例示した。しかし、本発明を適用できるスパークプラグの形態はこれに限られるものではない。例えば、中心電極のみ電極チップを有するスパークプラグに本発明を適用しても良いし、あるいは、外側電極にのみ電極チップを有するスパークプラグに本発明を適用しても良い。
また、中心電極チップをチップ基材にレーザ溶接した後に、このチップ基材を、中心電極に抵抗溶接して、間接的に中心電極チップを中心電極に接合するスパークプラグの製造方法に、本発明を適用しても良い。

また、実施形態等では、レーザ照射装置ＬＫにおいて、レーザ発振器ＬＨから出射されたレーザビームＬＬを転送光学系であるミラーＬＭによって転送していたが、転送光学系にステップインデックス（ＳＩ）形光ファイバを用いて転送し、溶接予定部に導いても良い。これにより、ＢＰＰ値の小さいレーザビームを用いても、スパッタの発生を抑えることができる。
また、実施形態等では、一つの溶接予定部に対して一つのレーザビームを照射しているが、複数の溶接予定部に対して同時に複数のレーザビームが照射されるようにしても良い。具体的に、例えば、中心電極チップ１５１を介して対向する二方向から同時にレーザビームを照射してレーザ溶接を行っても良い。これにより、レーザ溶接を効率良く行うことができるとともに、ＢＰＰ値の小さいレーザビームを用いているため、ワーク（貴金属チップ等）から光学系などレーザビームの出力位置を離すことができ、スパッタが光学系の部材に付着するのを防止することができる。

また、外側電極チップ１６１を外側電極１３１にレーザ溶接するとき、レーザ照射によって発生したスパッタがレーザビーム出射部に付着するのを防止するために、図１４に示すように、レーザビーム出射部を主体金具１０５の先端面１０７よりも外側電極チップ１６１とは反対側であって、さらに、主体金具１０５及び外側電極１３１によりレーザビームＰＬ５の溶接予定部への照射が妨げられない位置に配置して、レーザ溶接を行うことが好ましい。

実施形態にかかるスパークプラグの側面図である。 実施形態にかかるスパークプラグの製造方法に関し、中心電極に中心電極チップを溶接するレーザ溶接工程を示す説明図である。 実施形態にかかるスパークプラグの製造方法に関し、中心電極に中心電極チップが溶接された様子を示す説明図である。 実施形態にかかるスパークプラグの製造方法に関し、外側電極に外側電極チップを溶接するレーザ溶接工程を示す説明図である。 実施形態にかかるスパークプラグの製造方法に関し、外側電極に外側電極チップが溶接された様子を示す説明図である。 実施形態にかかる中心電極チップの剥離率と照射したレーザビームのＢＰＰ値との相関を示すグラフである。 実施形態にかかる外側電極チップの剥離率と照射したレーザビームのＢＰＰ値との相関を示すグラフである。 変形形態１にかかるスパークプラグの概要図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）はＡ部拡大斜視図である。 変形形態１にかかるスパークプラグの製造方法に関し、チップ基材に外側電極チップを溶接するレーザ溶接工程を示す説明図である。 変形形態１にかかるスパークプラグの製造方法に関し、チップ基材に外側電極チップが溶接された様子を示す説明図である。 変形形態２にかかるスパークプラグの概要図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）はＢ部拡大斜視図である。 変形形態２にかかるスパークプラグの製造方法に関し、主体金具に外側電極を溶接するレーザ溶接工程を示す説明図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）はＣ方向 上面図である。 変形形態２にかかるスパークプラグの製造方法に関し、主体金具に外側電極が溶接された様子を示す説明図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）はＣ方向上面図で ある。 別の変形形態にかかるスパークプラグの製造方法に関し、外側電極に外側電極チップを溶接するレーザ溶接工程を示す説明図である。

符号の説明

１００，２００，３００ スパークプラグ
１２１ 中心電極（電極母材）
１２８ 電極先端部（溶接予定部）
１３１ 外側電極（電極母材）
１３４ 電極接合部（溶接予定部）
１５１ 中心電極チップ（貴金属チップ）
１５８ チップ基端部（溶接予定部）
１６１ 外側電極チップ（貴金属チップ）
１６８ チップ基端部（溶接予定部）
１７１ チップ基材
１７３ 隆起部（溶接予定部）
３０５ 主体金具
３３３ 電極接合部（溶接予定部）
３６１ 外側電極
３６８ 金具溶接部（溶接予定部）
ＡＸ１ （中心電極チップの）軸線
ＡＸ２ （外側電極チップの）軸線
ＬＭ ミラー（転送光学系）
ＰＬ１ 第１レーザビーム（レーザビーム）
ＰＬ２ 第２レーザビーム（レーザビーム）
ＰＬ３ 第３レーザビーム（レーザビーム）
ＰＬ４ 第４レーザビーム（レーザビーム）

Claims (5)

1. 電極母材と、これにレーザ溶接されてなる貴金属チップと、または、
   電極母材と、これに接合してなるチップ基材と、上記チップ基材にレーザ溶接されてなる貴金属チップと、を有する
   スパークプラグの製造方法であって、
   レーザビームを上記レーザ溶接を行う溶接予定部へ導く転送光学系への入射時点でのＢＰＰ値が、２５ｍｍ・ｍｒａｄ（半径・半角）以下の上記レーザビームを用いて、上記電極母材と、または、上記チップ基材と、上記貴金属チップとの上記レーザ溶接を行うレーザ溶接工程を備え、
   上記スパークプラグは、
   中軸側電極母材と、これにレーザ溶接されてなる中軸側貴金属チップと、または、
   中軸側電極母材と、これに接合してなる中軸側チップ基材と、上記中軸側チップ基材にレーザ溶接されてなる中軸側貴金属チップと、を備える中心電極と、
   外側電極側電極母材と、これにレーザ溶接されてなる外側電極側貴金属チップと、または、
   外側電極側電極母材と、これに接合してなる外側電極側チップ基材と、上記外側電極側チップ基材にレーザ溶接されてなる外側電極側貴金属チップと、を備える外側電極と、を有する
   スパークプラグであり、
   上記中軸側電極母材と上記中軸側貴金属チップ、または、上記中軸側チップ基材と上記中軸側貴金属チップとのレーザ溶接に用いられる上記レーザビームの上記転送光学系への入射時点のＢＰＰ値に比べ、上記外側電極側電極母材と上記外側電極側貴金属チップ、または、上記外側電極側チップ基材と上記外側電極側貴金属チップとの上記レーザ溶接に用いられる上記レーザビームの前記転送光学系への入射時点のＢＰＰ値が小さい
   スパークプラグの製造方法。
2. 請求項１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は、
   前記貴金属チップの軸線を中心に、
   上記貴金属チップおよび前記電極母材と、または、上記貴金属チップおよび前記チップ基材と、
   前記レーザビームと、を相対的に回転させつつ、上記貴金属チップの全周にわたって前記レーザ溶接を行う
   全周レーザ溶接工程である
   スパークプラグの製造方法。
3. 請求項１または請求項２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が溶け合った溶融部、または、前記チップ基材と前記貴金属チップとが溶け合った溶融部が、前記貴金属チップの径方向中心で繋がるように前記レーザ溶接を行う
   スパークプラグの製造方法。
4. 請求項１〜請求項３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、
   複数の前記溶接予定部に対して同時に複数の前記レーザビームが照射される
   スパークプラグの製造方法。
5. 請求項１〜請求項４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、
   前記転送光学系に用いる光ファイバとして、ステップインデックス形光ファイバを用いる
   スパークプラグの製造方法。

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