JP5058114B2 - スパークプラグ、および、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、および、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心電極や接地電極における火花放電部位に耐火花消耗性、耐酸化消耗性に優れたイリジウム（Ｉｒ）などの貴金属チップ部材を接合したスパークプラグが知られている。このようなスパークプラグにおいて、レーザー溶接により貴金属チップ部材を電極母材に対して固定する技術が知られている。（例えば、特許文献１）。

特開２００５−１８３１６７号公報 特開２００２−９３５４７号公報 特開平８−２９８１７８号公報 中山宏二、外２名、「１９０ガスエンジン向け長寿命イリジウムプラグの開発」、学術講演会前刷集、社団法人自動車技術会、２００４年、Ｎｏ．３７−０４、ｐ．７−１２

しかしながら、貴金属チップ部材と電極母材とのレーザー溶融部は、成分の制御が困難なため、当該レーザー溶融部に腐食が発生するおそれがあった。当該腐食は、貴金属チップ部材の剥離などを引き起こし、スパークプラグの寿命を短くするおそれがあった。

本発明は、火花放電部位において貴金属チップ部材を用いるスパークプラグにおいて、スパークプラグの長寿命化を実現することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために、以下の形態または適用例を取ることが可能である。

［適用例１］軸線方向に延びる中心電極と、
前記中心電極との間で火花ギャップを形成する接地電極と、
を有するスパークプラグであって、
前記中心電極と前記接地電極のうち少なくとも一方は、
電極母材と、
貴金属チップ部材と、
第１の面が前記貴金属チップ部材と当接し、前記第１の面と反対側の第２の面が前記電極母材に当接した中間部材と、
前記貴金属チップと前記中間部材との当接部の外縁の少なくとも一部をレーザー溶接することにより、前記貴金属チップ部材と前記中間部材の側面に形成されたレーザー溶融部と、
を備え、
前記レーザー溶融部のうち少なくとも一部が前記電極母材に埋没していることを特徴とする、スパークプラグ。
こうすれば、レーザー溶融部のうち少なくとも一部が電極母材に埋没しているので、レーザー溶接部の腐食を抑制し、スパークプラグの長寿命化が実現できる。

［適用例２］適用例１に記載のスパークプラグであって、
前記中間部材と前記電極母材との間は、抵抗溶接されている、スパークプラグ。
こうすれば、さらに、抵抗溶接による溶接ダレによって、レーザー溶融部を覆うことができる。この結果、さらに、レーザー溶接部の腐食を抑制し、スパークプラグの長寿命化が実現できる。

［適用例３］適用例１または適用例２に記載のスパークプラグであって、
前記レーザー溶融部のうち５０％以上が前記電極母材に埋没している、スパークプラグ。
こうすれば、よりレーザー溶接部の腐食を抑制し、スパークプラグの長寿命化が実現できる。

［適用例４］適用例１または適用例２に記載のスパークプラグであって、
前記レーザー溶融部の１００％が前記電極母材に埋没している、スパークプラグ。
こうすれば、よりレーザー溶接部の腐食を抑制し、スパークプラグの長寿命化が実現できる。

［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれかに記載のスパークプラグであって、
前記電極母材は、前記レーザー溶融部を埋没させるための凹部を有する、スパークプラグ。
こうすれば、容易に、レーザー溶接部を電極母材に埋没させることができる。

［適用例６］適用例５に記載のスパークプラグであって、
前記凹部の上面と前記中間部材の底面との間が抵抗溶接されている、スパークプラグ。
こうすれば、レーザー溶接部が外気に触れることを抵抗溶接によって、より確実に抑制できる。この結果、よりレーザー溶接部の腐食を抑制し、スパークプラグの長寿命化が実現できる。

［適用例７］適用例２ないし適用例６のいずれかに記載のスパークプラグであって、
前記電極母材の上面に、前記貴金属チップ部材の側面に沿って、前記電極部材の上面より突出している突出部を備える、スパークプラグ。

［適用例８］適用例７に記載のスパークプラグであって、
前記突出部は、前記レーザー溶融部の少なくとも一部を覆っている、スパークプラグ。
こうすれば、突出部によってレーザー溶融部が外気に触れることが抑制される。この結果、よりレーザー溶接部の腐食を抑制し、スパークプラグの長寿命化が実現できる。

［適用例９］適用例７または適用例８に記載のスパークプラグであって、
前記中間部材と前記電極母材との間は、抵抗溶接され、
前記突出部は、前記抵抗溶接の溶接ダレである、スパークプラグ。
こうすれば、溶接ダレにより、レーザー溶接部が覆われるので、よりレーザー溶接部の腐食を抑制し、スパークプラグの長寿命化が実現できる。また、溶接ダレは、抵抗溶接により自然と発生するので、レーザー溶接部を覆うための突出部を簡単に形成できる。

［適用例１０］適用例１ないし適用例９のいずれかに記載のスパークプラグであって、
前記中間部材の線膨張係数は、前記貴金属チップ部材の線膨張係数より大きく、前記電極母材の線膨張係数より小さい、スパークプラグ。
こうすれば、中間部材の線膨張係数は、貴金属チップ部材の線膨張係数より大きく、電極母材の線膨張係数より小さいので、中間部材と貴金属チップ部材との間、および、中間部材と電極母材との間に発生する応力を抑制することができる。この結果、中間部材と貴金属チップ部材と剥離、および、中間部材と電極母材との剥離を抑制することができる。

［適用例１１］適用例１ないし適用例１０のいずれかに記載のスパークプラグであって、
前記中間部材は、
i）パラジウム（Ｐｄ）
ii）金（Ａｕ）
iii）金パラジウム合金（ＡｕＰｄ合金）
iv）白金ニッケル合金
のうちのいずれかを主成分とする材料で形成されている、スパークプラグ。
こうすれば、上記ヤング率の条件と、線膨張係数の条件を満たす中間部材を形成することができる。

［適用例１２］適用例１ないし適用例１１のいずれかに記載のスパークプラグであって、
前記貴金属チップ部材の融点は、前記電極母材の融点より高い、スパークプラグ。
こうすれば、貴金属チップ部材と、電極母材とを抵抗溶接することが困難であるため、レーザー溶接を用いて貴金属チップ部材と中間部材を溶接する構成がより有効である。

［適用例１３］適用例１２に記載のスパークプラグであって、
前記貴金属チップ部材は、
i）イリジウム（Ｉｒ）
ii）イリジウム合金
iii）白金（Ｐｔ）
iv）白金合金
のうちのいずれかを主成分とする材料で形成されている、スパークプラグ。
この場合、貴金属チップの融点が比較的高いので、貴金属チップ部材と、電極母材とを抵抗溶接することが困難である。このため、レーザー溶接を用いて貴金属チップ部材と中間部材を溶接する構成がより有効である。

［適用例１４］適用例１ないし適用例１３のいずれかに記載のスパークプラグであって、
前記中心電極と前記接地電極のうち少なくとも一方は、前記接地電極である、スパークプラグ。
こうすれば、エンジンの燃焼室に深く挿入され、高温となる接地電極について、腐食の発生を抑制できるため、スパークプラグの長寿命化が実現できる。

［請求項１５］請求項１ないし請求項９に記載のスパークプラグであって、
前記中間部材は、ニッケル合金または接地電極母材と同一の材料で形成されている、スパークプラグ。

［適用例１６］軸線方向に延びる中心電極と前記中心電極との間で火花ギャップを形成する接地電極とを有するスパークプラグの製造方法であって、
（ａ）貴金属チップ部材と中間部材の第１の面との当接部の外縁の少なくとも一部をレーザー溶接する工程と、
（ｂ）前記中心電極と前記接地電極のうち少なくとも一方の電極母材に、前記中間部材の前記第１の面と反対側の第２の面側を固定する工程と、
を備え、
前記（ｂ）工程は、前記（ａ）工程において前記貴金属チップ部材と前記中間部材の側面に形成されたレーザー溶融部の少なくとも一部が、前記電極母材に埋没するように行われることを特徴とする、スパークプラグの製造方法。
こうすれば、レーザー溶融部のうち少なくとも一部が電極母材に埋没され、レーザー溶接部の腐食を抑制できるスパークプラグを製造することができる。

［適用例１７］適用例１５に記載のスパークプラグの製造方法であって、
前記（ｂ）工程は、
（ｂ１）前記電極母材に埋没孔を形成する工程と、
（ｂ２）前記貴金属部材および前記中間部材を、前記第２の面側を下にして前記埋没孔に固定する工程と、
を含む、スパークプラグの製造方法。
こうすれば、レーザー溶融部のうち少なくとも一部が電極母材に埋没されたスパークプラグを簡単に製造することができる。

Ａ．第１実施例：
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図１は本発明の一実施例としてのスパークプラグ１００の部分断面図である。なお、図１において、スパークプラグ１００の軸線方向ＯＤを図面における上下方向とし、下側をスパークプラグ１００の先端側、上側を後端側として説明する。

図１に示すように、スパークプラグ１００は、絶縁体としての絶縁碍子１０と、この絶縁碍子１０を保持する主体金具５０と、絶縁碍子１０内に軸線方向ＯＤに保持された中心電極２０と、接地電極３０と、絶縁碍子１０の後端部に設けられた端子金具４０とを備える。

絶縁碍子１０は周知のようにアルミナ等を焼成して形成され、軸中心に軸線方向ＯＤへ延びる軸孔１２が形成された筒形状を有する。軸線方向ＯＤの略中央には外径が最も大きな鍔部１９が形成されており、それより後端側（図１における上側）には後端側胴部１８が形成されている。鍔部１９より先端側（図１における下側）には、後端側胴部１８よりも外径の小さな先端側胴部１７が形成され、さらにその先端側胴部１７よりも先端側に、先端側胴部１７よりも外径の小さな脚長部１３が形成されている。脚長部１３は先端側ほど縮径され、スパークプラグ１００が内燃機関のエンジンヘッド２００に取り付けられた際には、その燃焼室に曝される。脚長部１３と先端側胴部１７との間には段部１５が形成されている。

主体金具５０は、内燃機関のエンジンヘッド２００にスパークプラグ１００を固定するための円筒状の金具である。主体金具５０は、絶縁碍子１０を、その後端側胴部１８の一部から脚長部１３にかけての部位を取り囲むようにして内部に保持している。主体金具５０は低炭素鋼材より形成され、図示しないスパークプラグレンチが嵌合する工具係合部５１と、内燃機関の上部に設けられたエンジンヘッド２００の取付ネジ孔２０１に螺合するネジ山が形成された取付ネジ部５２とを備えている。本実施例では、この取付ネジ部５２を、その外径Ｍ（呼び径）が標準的な外径であるＭ１４、或いはこれより小径または大径なＭ１０〜Ｍ１８とした。

主体金具５０の工具係合部５１と取付ネジ部５２との間には、鍔状のシール部５４が形成されている。取付ネジ部５２とシール部５４との間のネジ首５９には、板体を折り曲げて形成した環状のガスケット５が嵌挿されている。ガスケット５は、スパークプラグ１００をエンジンヘッド２００に取り付けた際に、シール部５４の座面５５と取付ネジ孔２０１の開口周縁部２０５との間で押し潰されて変形する。このガスケット５の変形により、スパークプラグ１００とエンジンヘッド２００間が封止され、取付ネジ孔２０１を介したエンジン内の気密漏れが防止される。

主体金具５０の工具係合部５１より後端側には薄肉の加締部５３が設けられている。また、シール部５４と工具係合部５１との間には、加締部５３と同様に薄肉の座屈部５８が設けられている。工具係合部５１から加締部５３にかけての主体金具５０の内周面と絶縁碍子１０の後端側胴部１８の外周面との間には、円環状のリング部材６，７が介在されており、さらに両リング部材６，７間にタルク（滑石）９の粉末が充填されている。加締部５３を内側に折り曲げるようにして加締めることにより、リング部材６，７およびタルク９を介し、絶縁碍子１０が主体金具５０内で先端側に向け押圧される。これにより、主体金具５０の内周で取付ネジ部５２の位置に形成された段部５６に、環状の板パッキン８を介し、絶縁碍子１０の段部１５が支持されて、主体金具５０と絶縁碍子１０とが一体にされる。このとき、主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性は、板パッキン８によって保持され、燃焼ガスの流出が防止される。座屈部５８は、加締めの際に、圧縮力の付加に伴い外向きに撓み変形するように構成されており、タルク９の軸線方向ＯＤの圧縮長を長くして主体金具５０内の気密性を高めている。なお、段部５６よりも先端側における主体金具５０と絶縁碍子１０との間には、所定寸法のクリアランスが設けられている。

図２は、第１実施例におけるスパークプラグ１００の中心電極２０の先端付近の拡大図である。中心電極２０は、インコネル（商標名）６００等のニッケルまたはニッケルを主成分とする合金から形成された電極母材２１の内部に、電極母材２１よりも熱伝導性に優れる銅または銅を主成分とする合金からなる芯材２５を埋設した構造を有する棒状の電極である。通常、中心電極２０は、有底筒状に形成された電極母材２１の内部に芯材２５を詰め、底側から押出成形を行って引き延ばすことで作製される。芯材２５は、胴部分においては略一定の外径をなすものの、先端側においては先細り形状に形成される。

中心電極２０、詳しくは、電極母材２１は、その先端部分に、先端に向かって小径となるテーパ状の電極母材台座２２と溶融部２３と電極チップ９０とを備え、この電極チップ９０を含む電極母材台座２２よりも先端側の部分は絶縁碍子１０の先端部１１よりも突出されている。電極チップ９０は、耐火花消耗性を向上するために、高融点の貴金属を主成分として形成されている。この電極チップ９０としては、例えば、イリジウム（Ｉｒ）や、Ｉｒを主成分として、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、レニウム（Ｒｅ）のうち、１種類あるいは２種類以上を添加したＩｒ合金によって形成され、Ｉｒ−５Ｐｔ合金（５質量％の白金を含有したイリジウム合金）などが多用される。また、電極チップ９０には、白金、あるいは、白金を主成分として、Ｉｒ、Ｒｕ、パラジウム、レニウムのうち、１種類あるいは２種類以上を添加した白金合金が用いられ得る。

溶融部２３は、電極母材台座２２への電極チップ９０の溶接、例えばレーザーを照射してその熱により電極母材台座２２と電極チップ９０とを溶融させるレーザー溶接を経て形成される。つまり、電極母材台座２２の先端面に電極チップ９０を配置した状態で、電極母材台座２２と電極チップ９０との境界面を狙ってレーザーを照射しつつ、その照射箇所を境界面全周に亘って一周させる。このレーザー溶接では、レーザーの照射により両材料（電極母材台座２２の構成材と電極チップ９０の貴金属）が溶融して混ざり合うため、電極チップ９０と電極母材台座２２とが強固に接合されると共に、電極母材台座２２と電極チップ９０とを繋ぐ溶融部２３が形成される。この溶融部２３は、上記両材料の溶融により両材料の合金として形成される。

中心電極２０は軸孔１２内を後端側に向けて延設され、シール体４およびセラミック抵抗３（図１参照）を経由して、後方（図１における上方）の端子金具４０に電気的に接続されている。端子金具４０には高圧ケーブル（図示外）がプラグキャップ（図示外）を介して接続され、高電圧が印加される。

接地電極３０の電極母材は耐腐食性の高い金属から構成され、一例として、ニッケル合金が用いられる。本実施例では、インコネル（商標名）６００（ＩＮＣ６００）と呼ばれるニッケル合金が用いられている。この接地電極３０は、自身の長手方向と直交する方向における横断面が略長方形を有している。接地電極３０の基端部（一端部）３２は、主体金具５０の先端面５７に溶接にて接合されている。接地電極３０の電極母材先端部（他端部）３１の一側面は、中心電極２０の電極チップ９０と、軸線Ｏ上で軸線方向ＯＤに対向するように屈曲されている。そして、この接地電極３０の電極母材先端部３１の一側面と電極チップ９０の先端面との間には火花ギャップが形成される。この火花ギャップは、例えば、０．２〜０．６ｍｍ程度である。

接地電極３０の電極母材先端部３１において、電極チップ９０と対向する側面には、２層部材３００が電極母材に抵抗溶接されている。２層部材３００は、貴金属チップ部材３１０と、中間部材３２０とを有している。貴金属チップ部材３１０と中間部材３２０とは、電極チップ９０と対向する方向（第１実施例では、軸線方向ＯＤ）に積層されている。貴金属チップ部材３１０には、例えば、Ｐｔ（白金）または、Ｐｔを主成分とする合金が用いられる。本実施例では、Ｐｔ−２０Ｉｒ合金（２０質量％のイリジウムを含有した白金合金）が用いられている。中間部材３２０には、Ｐｄ（パラジウム）またはＰｄを主成分とする合金、Ａｕ（金）またはＡｕを主成分とする合金、ＡｕＰｄ合金、Ｐｔ合金、白金ニッケル合金（例えば、Ｐｔ−２０Ｎｉ（２０質量％のニッケルを含有した白金合金））が用いられる。本実施例では、Ｐｄが用いられている。また、中間部材３２０には、ＩＮＣ６００などのニッケル合金を始め、接地電極３０の電極母材と同一の材料で形成されても良い。

図３は、２層部材３００を中心とした部分の拡大図である。互いに積層された貴金属チップ部材３１０と中間部材３２０は、貴金属チップ部材３１０の下面と中間部材３２０の上面とが当接している。当該当接面の外縁は、全周に亘ってレーザー溶接により接合されている。レーザー溶接により形成されたレーザー溶融部３５０は、貴金属チップ部材３１０と中間部材３２０の当接面の中心までは到達しておらず、深さ（積層方向の垂直な方向の幅）Ｌ、外径ｄ、厚さｔ３を有するリング形状に形成されている。２層部材３００は、中間部材３２０の厚さｔ２だけ電極母材先端部３１に埋没しており、貴金属チップ部材３１０の厚さｔ１だけ電極母材先端部３１より上方に突出している。すなわち、中間部材３２０と貴金属チップ部材３１０との当接面は、電極母材先端部３１の上面ＨＬと同じ平面上に位置している。

本実施例では、貴金属チップ部材３１０および中間部材３２０の直径ｄを、１．５ｍｍとしている。直径ｄは、０．４ｍｍ〜３．５ｍｍ程度の範囲であることが好ましい。本実施例では、貴金属チップ部材３１０の厚さｔ１を、０．４ｍｍとしている。貴金属チップ部材３１０の厚さｔ１は、０．１ｍｍ〜０．８ｍｍ程度の範囲であることが好ましい。本実施例では、中間部材３２０の厚さｔ２を０．４ｍｍとしている。中間部材３２０の厚さｔ１は、０．１ｍｍ〜２．５ｍｍ程度の範囲であることが好ましい。本実施例では、レーザー溶融部３５０の深さＬは、貴金属チップ部材３１０および中間部材３２０の直径ｄの１／６程度に設定されている。レーザー溶融部３５０の深さＬは、貴金属チップ部材３１０および中間部材３２０の直径ｄの１０分の１〜２分の１程度の範囲であることが好ましい。本実施例では、レーザー溶融部３５０の厚さｔ３は、０．３ｍｍとしている。レーザー溶融部３５０の厚さｔ３は、０．１ｍｍ〜０．８ｍｍ程度の範囲であることが好ましい。

レーザー溶融部３５０は、厚さｔ３のうちの５０％が電極母材先端部３１に埋没している。すなわち、レーザー溶融部３５０のうち、軸線方向ＯＤ方向の上部半分が電極母材先端部３１の上面ＨＬより上方に突出し、下部半分が電極母材先端部３１の上面ＨＬより下方に埋没している。２層部材３００の下面（中間部材３２０の下面）と電極母材先端部３１と間（図３：符号ＢＳ部分）と、２層部材３００の側面（中間部材３２０の側面）と電極母材先端部３１と間（図３：符号ＳＳ部分）は、抵抗溶接により接合されている。電極母材先端部３１の上面ＨＬには、２層部材３００の側面に沿って２層部材３００の全周に亘って、溶接ダレ３１１が形成されている。溶接ダレ３１１は、電極母材先端部３１から上方にリング形状に突出している。溶接ダレ３１１は、レーザー溶融部３５０の軸線方向ＯＤ方向の上部半分を覆っている。レーザー溶融部３５０は、下部半分が電極母材先端部３１に埋没し、上部半分が溶接ダレ３１１に覆われていることによって、全体が外気に触れていない状態になっている。

上記したスパークプラグ１００は、例えば、以下のような製造方法によって製造することが可能である。まず、上述した電極チップ９０が溶融部２３を介在させて電極母材台座２２に接合された中心電極２０と、絶縁碍子１０と、主体金具５０と、接地電極３０とを用意する。次いで、中心電極２０の先端部（詳しくは、電極チップ９０と溶融部２３と電極母材台座２２）を露出させつつ中心電極２０の外周を覆うように絶縁碍子１０に中心電極２０を組み付ける。その後、絶縁碍子１０の外周に、絶縁碍子１０の先端部が主体金具５０の先端面から１．５ｍｍ程度或いはそれ以上突出するように、主体金具５０を組み付けると共に、接地電極３０の母材基端部３２を主体金具５０の先端面５７に接合する。接合された接地電極３０の電極母材先端部３１に、２層部材３００を溶接する。その後、接地電極３０の電極母材先端部３１が中心電極２０の先端部と対向するように接地電極３０を屈曲する。

図４は、電極母材先端部３１に貴金属チップ部材３１０および中間部材３２０を溶接する工程を示すフローチャートである。図５および図６は、電極母材先端部３１に対する貴金属チップ部材３１０および中間部材３２０の溶接について説明するための図である。

ステップＳ１０では、貴金属チップ部材３１０と中間部材３２０がレーザー溶接され、２層部材３００が作製される（図５（Ａ））。貴金属チップ部材３１０と中間部材３２０とのレーザー溶接は、電極母材台座２２と電極チップ９０とのレーザー溶接と同様に、貴金属チップ部材３１０と中間部材３２０との当接面を狙ってレーザーを照射しつつ、その照射箇所を当接面全周に亘って一周させる。このレーザー溶接により、上述したリング形状のレーザー溶融部３５０が形成され、貴金属チップ部材３１０と中間部材３２０とが強固に接合される。レーザー溶融部３５０は、貴金属チップ部材３１０と中間部材３２０との材料が溶融して混ざり合うため、組成を制御することが難しく、貴金属チップ部材３１０や中間部材３２０と比較して、腐食が発生しやすい材質になりやすい。

ステップＳ２０では、接地電極３０の電極母材が準備される。ステップＳ３０では、電極母材先端部３１に、２層部材３００を設置するための埋没孔３１２が形成される（図５（Ｂ））。埋没孔３１２は、中間部材３２０が、ほぼ隙間なく嵌る大きさに形成される。すなわち、中間部材３２０は、上方から見た形状が中間部材３２０とほぼ同じ直径を有する円筒である。埋没孔３１２は、例えば、ドリルによる切削加工により形成される。埋没孔３１２の深さは、上述した中間部材３２０の厚さｔ２と同じに形成される。

ステップＳ４０では、電極母材先端部３１に形成された埋没孔３１２に２層部材３００が抵抗溶接される。具体的には、まず、電極母材先端部３１が、埋没孔３１２が形成されている面と反対側の面を下にして設置台に設置され、設置台を介して電気的に接地される（図示省略）。そして、埋没孔３１２に２層部材３００が中間部材３２０を下側にして嵌め込まれる（図６）。この状態で、レーザー溶融部３５０の下側約５０％が埋没孔３１２に埋没している。さらに、抵抗溶接用電極５００により、貴金属チップ部材３１０の積層方向の上側端面を、積層方向の下向きに押圧する（図６）。抵抗溶接用電極５００は、積層方向と垂直な断面が円形であり、積層方向の断面が矩形の円筒形状を有している。抵抗溶接用電極５００の円筒形状の直径は、貴金属チップ部材３１０の円筒形状の直径より大きい。このため、抵抗溶接用電極５００が、貴金属チップ部材３１０の積層方向の上方から下降してくると、抵抗溶接用電極５００の下側端面は、貴金属チップ部材３１０の上側端面の全体に亘って当接する。図６の状態で、抵抗溶接用電極５００は、所定の圧力で貴金属チップ部材３１０の上側端面を概ね均一に押圧する。

抵抗溶接用電極５００が貴金属チップ部材３１０の上側端面を押圧した状態で、抵抗溶接が実行される。具体的には、抵抗溶接用電極５００の電位が電極母材先端部３１の接地電位に対して高電圧にされ、その結果、抵抗溶接用電極５００を介して、貴金属チップ部材３１０、中間部材３２０、電極母材先端部３１に大電流が流れる。中間部材３２０の下側面と、当該下側面と接触している電極母材先端部３１の埋没孔３１２の底面とが抵抗溶接される。さらに、中間部材３２０の側面と埋没孔３１２の内壁面との間が抵抗溶接される。このように抵抗溶接を行うと、融点が中間部材３２０より低い電極母材先端部３１（本実施例では、ＩＮＣ６００）を主成分とする溶接ダレが埋没孔３１２の開口縁と、２層部材３００との間から上方に溢れ出て、上述した溶接ダレ３１１が形成される（図３）。抵抗溶接が完了すると、抵抗溶接用電極５００は、上昇して２層部材３００は、押圧状態から解放される。

以下に、接地電極３０の電極母材の材料（ＩＮＣ６００）と、貴金属チップ部材３１０の材料（Ｐｔ−２０Ｉｒ）と、中間部材３２０の材料（ＰｄまたはＰｔ−２０Ｎｉ）の特性を示す。

表１から解るように、中間部材３２０のヤング率は、貴金属チップ部材３１０のヤング率および接地電極３０の電極母材のヤング率より小さい。そして、中間部材３２０の線膨張係数は、貴金属チップ部材３１０の線膨張係数より大きく、接地電極３０の電極母材の線膨張係数より小さい。

図７は、貴金属チップ部材３１０の下側の面に発生する応力を示すグラフである。このグラフは、シミュレーションによって計算された値である。このシミュレーションでは、貴金属チップ部材３１０の直径ｄが０．６ｍｍ、１．５ｍｍ、３．０ｍｍのそれぞれの場合について計算した。このシミュレーションは、９５０℃の定常状態について計算されたものである。貴金属チップ部材３１０の材料特性はＰｔ−２０Ｉｒ、接地電極３０の電極母材の材料特性はＩＮＣ６００の特性値をそれぞれ用いている。また、このシミュレーションでは、中間部材３２０の材料としては、パラジウム（Ｐｄ（三角印））と２０質量％のニッケルを含有した白金合金（Ｐｔ−２０Ｎｉ（丸印））の２種類について計算した。また、比較例として、中間部材３２０を用いず、貴金属チップ部材３１０を直接に、電極母材先端部３１（ＩＮＣ６００）に溶接した場合（四角印）について計算した。

図７に示すシミュレーション結果から解るように、段落００３５で説明した材料特性を有する中間部材３２０を用いる場合には、貴金属チップ部材３１０の下側面に発生する応力が抑制される。特に、中間部材３２０にパラジウム（Ｐｄ）を用いる場合には、中間部材３２０の材料としてＰｔ−２０Ｎｉを用いる場合や貴金属チップ部材３１０を直接に電極母材先端部３１に溶接した場合と比較して、貴金属チップ部材３１０の下側面に発生する応力が顕著に抑制される。その結果、貴金属チップ部材３１０と中間部材３２０との剥離を抑制することができる。

さらに、第１実施例において、レーザー溶融部３５０は、下部半分が電極母材先端部３１に埋没し、上部半分が溶接ダレ３１１に覆われていることによって、全体が外気に触れていない状態になっている。この結果、レーザー溶融部３５０の腐食が抑制され、当該腐食による貴金属チップ部材３１０の剥離が抑制される。したがって、スパークプラグ１００の長寿命化が実現される。

図８は、レーザー溶融部３５０における腐食の発生について調べた実験結果を示すグラフである。本実験では、埋没孔３１２の深さを変更して、レーザー溶融部３５０の厚さのうち電極母材先端部３１に埋没している割合が、２５％、５０％（第１実施例に相当）、１００％（後述する第２実施例に相当）であるスパークプラグを作製して実験を行った。実験では、１つの種類のスパークプラグについて１０個のサンプルを作製した。各サンプルをエンジンに取り付け、１５００回転／分（ｒｐｍ）、出力４００ｋｗの条件で、１０００時間の連続運転を行った。その後、スパークプラグのレーザー溶融部３５０を目視で検査して腐食の有無を判定した。この結果、レーザー溶融部３５０の電極母材先端部３１に対する埋没率が高いほど、腐食の発生が抑制されることが解った。特に、レーザー溶融部３５０の電極母材先端部３１に対する埋没率が５０％以上である場合に、顕著に腐食の発生が抑制され、さらに、埋没率が１００％である場合には、さらに、顕著に腐食の発生が抑制されることが解った。

さらに、本実施例では、溶接ダレ３１１が電極母材先端部３１から突出して、レーザー溶融部３５０を覆っているので、さらに、レーザー溶融部３５０の腐食を抑制することができる。また、２層部材３００の下部（中間部材３２０の部分）が電極母材先端部３１に埋没しているため、貴金属チップ部材３１０が電極母材先端部３１から突出している寸法（図３、ｔ１）を小さくすることができる。この結果、貴金属チップ部材３１０にて、放電により発生した熱が電極母材先端部３１を介して逃げやすくなる。すなわち、スパークプラグ１００の熱引きが向上する。

Ｂ．第２実施例：
図９は、第２実施例におけるスパークプラグの２層部材３００の近傍部分を示す図である。第２実施例におけるスパークプラグは、上述した図８における実験結果のうち、レーザー溶融部３５０の電極母材先端部３１に対する埋没率が１００％であるサンプルに対応する。図９に示すように、第２実施例におけるスパークプラグでは、レーザー溶融部３５０の全体が、電極母材先端部３１の上面ＨＬより下側に位置しており、レーザー溶融部３５０は、ほぼ完全に、電極母材先端部３１に埋没している。さらに、電極母材先端部３１の上方には、貴金属チップ部材３１０の側面に沿って、貴金属チップ部材３１０の側面の全周に亘って、溶接ダレ３１１が形成されている。

以上のように構成された第２実施例におけるスパークプラグによれば、図８の実験結果から解るように、さらに、レーザー溶融部３５０の耐腐食性が向上し、スパークプラグの長寿命化が実現できる。また、貴金属チップ部材３１０が電極母材先端部３１から突出している寸法を、第１実施例よりさらに小さくすることができる。この結果、スパークプラグの熱引きがさらに向上する。

Ｃ．変形例：
・第１変形例：
上記実施例では、２層部材３００は接地電極に配置されているが、中心電極に配置されても良いし、接地電極および中心電極の両方に配置しても良い。

・第２変形例：
上記実施例では、２層部材３００を構成する貴金属チップ部材３１０および中間部材３２０は、積層方向から見た形状が円形であるが、これに限られない。例えば、貴金属チップ部材３１０および中間部材３２０は、四角形、六角形などの多角形であってもよいし、楕円形であっても良い。いずれの形状であっても、貴金属チップ部材３１０と中間部材３２０は、積層方向から見た形状がほぼ同一であって、レーザー溶融部３５０が貴金属チップ部材３１０に内壁面が略垂直に形成された埋没孔に埋没されていればよい。

・第３変形例：
上記実施例のように、中間部材３２０のヤング率は、貴金属チップ部材３１０のヤング率および電極母材先端部３１のヤング率より小さいことが好ましく、中間部材３２０の線膨張係数は、貴金属チップ部材３１０の線膨張係数より大きく、電極母材先端部３１の線膨張係数より小さいことが好ましい。貴金属チップ部材３１０が白金または白金を主成分とした合金であり、電極母材がニッケル合金である一般的な構成である場合、このような条件を満たす中間部材３２０の材料としては、i）パラジウム（Ｐｄ）、ii）金（Ａｕ）、iii）金パラジウム合金（ＡｕＰｄ合金）のうちのいずれかを主成分とする材料がある。

・第４変形例：
上記実施例では、縦放電型を例として説明したが横放電型であっても良い。接地電極の先端部と、中心電極２０の先端部との位置関係は、スパークプラグの用途や、必要とされる性能等に応じて適宜設定することが可能である。また、１つの中心電極に対して複数の接地電極が設けられても良い。

・第５変形例：
上記実施例では、貴金属チップ部材３１０と中間部材３２０は、当接面の外縁の全周に亘ってレーザー溶接されているが、部分的にレーザー溶接されていても良い。例えば、貴金属チップ部材３１０と中間部材３２０は、当接面の外縁において、所定間隔を置いて複数箇所においてレーザー溶接されていても良いし、当接面の外縁において片側半分がレーザー溶接されていても良い。あるいは、貴金属チップ部材３１０と中間部材３２０は、外縁の７５％が連続してレーザー溶接されており、残りの２５％はレーザー溶接されていなくても良い。これらの場合、貴金属チップ部材３１０と中間部材３２０との当接面の外縁のうち、レーザー溶接されている部分と、されていない部分との割合は、必要な接合強度などに応じて適宜に変更することが可能である。

・第６変形例：
上記実施例では、電極母材先端部３１に対して、レーザー溶融部３５０が埋没している割合が５０％のスパークプラグ（第１実施例）と、１００％のスパークプラグ（第２実施例）とを例示したが、かかる割合は適宜変更可能であり、レーザー溶融部３５０の少なくとも一部が埋没されていれば、レーザー溶融部３５０の埋没されている部分について、腐食の発生を抑制することができる。かかる割合は、図８に示す実験結果から解るように、５０％以上であることが好ましく、さらには、なるべく高い割合であることが好ましく、さらには、１００％以上であることがさらに好ましい。

以上、本発明の実施例および変形例について説明したが、本発明はこれらの実施例および変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。

本発明の一実施例としてのスパークプラグの部分断面図。 第１実施例におけるスパークプラグの中心電極の先端付近の拡大図。 ２層部材を中心とした部分の拡大図。 電極母材先端部に貴金属チップ部材および中間部材を溶接する工程を示すフローチャート。 電極母材先端部に対する貴金属チップ部材および中間部材の溶接について説明するための第１の図。 電極母材先端部に対する貴金属チップ部材および中間部材の溶接について説明するための第２の図。 貴金属チップ部材の下側の面に発生する応力を示すグラフ。 レーザー溶融部における腐食の発生について調べた実験結果を示すグラフ。 第２実施例におけるスパークプラグの２層部材の近傍部分を示す図。

符号の説明

３…セラミック抵抗
４…シール体
５…ガスケット
６…リング部材
８…板パッキン
９…タルク
１０…絶縁碍子
１１…先端部
１２…軸孔
１３…脚長部
１５…段部
１７…先端側胴部
１８…後端側胴部
１９…鍔部
２０…中心電極
２１…電極母材
２２…電極母材台座
２３…溶融部
２５…芯材
３０…接地電極
３１…電極母材先端部
３２…母材基端部
４０…端子金具
５０…主体金具
５１…工具係合部
５２…取付ネジ部
５３…加締部
５４…シール部
５５…座面
５６…段部
５７…先端面
５８…座屈部
５９…ネジ首
９０…電極チップ
１００…スパークプラグ
２００…エンジンヘッド
２０１…取付ネジ孔
２０５…開口周縁部
３００…２層部材
３１０…貴金属チップ部材
３１１…溶接ダレ
３１２…埋没孔
３２０…中間部材
３５０…レーザー溶融部
５００…抵抗溶接用電極

Claims (13)

1. 軸線方向に延びる中心電極と、
   前記中心電極との間で火花ギャップを形成する接地電極と、
   を有するスパークプラグであって、
   前記中心電極と前記接地電極のうち少なくとも一方は、
   電極母材と、
   貴金属チップ部材と、
   第１の面が前記貴金属チップ部材と当接し、前記第１の面と反対側の第２の面が前記電極母材に当接した中間部材と、
   前記貴金属チップと前記中間部材との当接部の外縁の少なくとも一部をレーザー溶接することにより、前記貴金属チップ部材と前記中間部材の側面に形成されたレーザー溶融部と、
   前記電極母材と前記中間部材とを抵抗溶接したときに形成される溶接ダレと、
   を備え、
   前記レーザー溶融部のうち少なくとも一部が前記電極母材に埋没し、
   前記溶接ダレは前記レーザー溶融部のうち前記電極母材の上面から露出した部分の全てを覆っていることを特徴とする、スパークプラグ。
2. 請求項１に記載のスパークプラグであって、
   前記レーザー溶融部のうち５０％以上が前記電極母材に埋没している、スパークプラグ。
3. 請求項１に記載のスパークプラグであって、
   前記レーザー溶融部の１００％が前記電極母材に埋没している、スパークプラグ。
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であって、
   前記電極母材は、前記レーザー溶融部を埋没させるための凹部を有する、スパークプラグ。
5. 請求項４に記載のスパークプラグであって、
   前記凹部の上面と前記中間部材の底面との間が抵抗溶接されている、スパークプラグ。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
   前記中間部材の線膨張係数は、前記貴金属チップ部材の線膨張係数より大きく、前記電極母材の線膨張係数より小さい、スパークプラグ。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
   前記中間部材は、
   i）パラジウム（Ｐｄ）
   ii）金（Ａｕ）
   iii）金パラジウム合金（ＡｕＰｄ合金）
   iv）白金ニッケル合金
   のうちのいずれかを主成分とする材料で形成されている、スパークプラグ。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
   前記貴金属チップ部材の融点は、前記電極母材の融点より高い、スパークプラグ。
9. 請求項８に記載のスパークプラグであって、
   前記貴金属チップ部材は、
   i）イリジウム（Ｉｒ）
   ii）イリジウム合金
   iii）白金（Ｐｔ）
   iv）白金合金
   のうちのいずれかを主成分とする材料で形成されている、スパークプラグ。
10. 請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
    前記中心電極と前記接地電極のうち少なくとも一方は、前記接地電極である、スパークプラグ。
11. 請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のスパークプラグであって、
    前記中間部材は、ニッケル合金または接地電極母材と同一の材料で形成されている、スパークプラグ。
12. 軸線方向に延びる中心電極と前記中心電極との間で火花ギャップを形成する接地電極とを有するスパークプラグの製造方法であって、
    （ａ）貴金属チップ部材と中間部材の第１の面との当接部の外縁の少なくとも一部をレーザー溶接する工程と、
    （ｂ）抵抗溶接によって前記中心電極と前記接地電極のうち少なくとも一方の電極母材に、前記中間部材の前記第１の面と反対側の第２の面側を固定する工程と、
    を備え、
    前記（ｂ）工程は、前記（ａ）工程において前記貴金属チップ部材と前記中間部材の側面に形成されたレーザー溶融部のうちの前記電極母材の上面から露出した部分の全てが、前記抵抗溶接により生じた溶接ダレにより覆われるように行われることを特徴とする、スパークプラグの製造方法。
13. 請求項１２に記載のスパークプラグの製造方法であって、
    前記（ｂ）工程は、
    （ｂ１）前記電極母材に埋没孔を形成する工程と、
    （ｂ２）前記貴金属部材および前記中間部材を、前記第２の面側を下にして前記埋没孔に固定する工程と、
    を含む、スパークプラグの製造方法。

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