JP5289932B2 - スパークプラグの電極チップ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車等の内燃機関に用いられるスパークプラグの電極チップに関する。

近年の内燃機関は、環境負荷低減のため希薄燃焼が主流となり、着火性能を維持するためスパークプラグの放電電圧が上昇する傾向にある。放電電圧の上昇は、放電電極の消耗を促進し、耐久性を低下させてしまうため、放電電圧の低減が必要とされている。
特許文献１によれば、中心電極チップの下端面（放電面）に同下端面を横断する溝を設けることにより放電電圧を低減できるとされている。特許文献２には、２〜４本の細径電極を突設することにより、放電電圧の低減や耐消耗性の向上を図る中心電極が提案されている。このように、放電面面積に対するエッジ長を大きくさせると、放電電圧が低減し、かつ、放電電圧のバラツキが小さくなり、結果として、耐久性が向上することが既によく知られている。
電極チップに溝を設ける方法は、放電加工、切削加工、ヘッダ加工などが公知であるが、微小な電極チップへの微細加工は、複雑工程を採らざるを得ない。又、複数の細径電極を接続する方法は、別々の微細な電極チップを配列し、なおかつ、精度よく接合するための複雑工程が不可欠と考えられる。このように、従来の放電面面積に対するエッジ長を増大させた電極チップは、品質管理が困難であり、コスト及び生産の容易性を考慮すると、必ずしも有益とはいえない。
特開昭５１−９６９３５号公報 特開昭５３−２５７４５号公報 特開平５−３４３１５９号公報

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、放電面面積に対するエッジ長が大きい電極チップを安価に提供することを目的とする。

第１の発明は、スパークプラグの電極チップであって、断面形状が略円形又は略多角形の複数の金属線が、もとの断面形状を保ったまま、その外周面において互いに接合され一体化した電極チップである。
金属線の材質は、Ｆｅ合金、Ｎｉ合金などの耐熱性合金、又は、Ｐｔ合金、Ｉｒ合金、Ｒｈ合金などの貴金属合金が適する。金属線の断面形状は、円形、正多角形及びそれに近い形状であればよく、本発明において特に限定するものではない。
ところで、金属線ｎ本の電極チップは、同一断面積の金属線１本の断面のエッジ長（Ｌ_１）に比べ、断面のエッジ長（Ｌ_ｎ）が、本数ｎの平方根に比例して増加する。エッジ長とは、電極チップを構成する金属線の長手方向に垂直な断面の辺縁長さ（断面円形の場合には、円周）の合計とする。
Ｌ_ｎ＝Ｌ_１ｎ^１／２ ・・・（式１）
複数の金属線が接合された本発明の電極チップは、チップ単体として放電面のエッジ長を大きくとることができる。
金属線同士の接合は、互いに平行に接合されてもよいし、撚り線状に接合されてもよく、接合方法は、ろう付、金属浴、シーム溶接、抵抗溶接、拡散接合など金属同士の接合によるもののほか、接着剤、ワックスなどの樹脂によるものであってもよく、要するに、チップ単体として複数の金属線が一体をなしていればよい。

第２の発明は、金属線より溶融温度の低い金属によって接合されたことを特徴とする電極チップである。金属線より溶融温度の低い金属とは、貴金属ろう、非貴金属ろうを含むろう材、はんだなどのほか、純金属や合金であってもよく、要するに、金属線の溶融温度以下の加熱温度によって溶融し、金属線間を埋め、冷却後は固体となって金属線同士を一体に接合できる金属である。

第３の発明は、溶接によって接合されたことを特徴とする電極チップである。ここで溶接とは、電極チップに適する線径の金属線同士を、他の材料を介することなく一体に接合できる方法であって、抵抗溶接、シーム溶接がある。

第４の発明は、スパークプラグの電極チップの製造方法であって、複数の金属線をその断面形状を変化させることなくその外周面で互いに接合して一体化する工程と、接合した金属線を任意の長さに切断する工程と、を含むことを特徴とする電極チップの製造方法である。金属線を接合する工程では、複数の金属線を平行に並べて束ねたものを接合してもよく、或いは、束ねた金属線を撚り線状にしたものを接合してもよい。接合した金属線を切断する際には、金属線の長手方向に対して垂直に切断し、切断片を電極チップとする。

本発明によれば、放電面面積に対するエッジ長が大きい電極チップを安価に大量に供給することができる。金属線の長さは特に制限がないため、連続的に接合、切断して、電極チップを大量に製造することができる。なお、５本以上の金属線からなる電極チップとしたときには、放電面面積に対するエッジ長をより大きくすることができ、放電電圧を低減する効果が大きい。さらに、金属線金属を熱伝導率の高い金属としたときには、電極チップの放熱を早めることができ、電極の消耗をさらに抑制する効果がある。
又、本発明の電極チップは、複数の金属線が一体に接合されたものであり、スパークプラグ本体の中心電極又は接地電極との接合に特別な複雑工程を要せず、生産性が高い。

本発明は、スパークプラグの電極チップであって、断面形状が略円形又は略多角形の複数の金属線１が、互いに接合された電極チップである。金属線１の配列の好適な例を、断面形状を円形として図１に例示する。

金属線１の材質は、Ｆｅ合金、Ｎｉ合金などの耐熱合金、Ｐｔ合金、Ｉｒ合金、Ｒｈ合金などの貴金属合金が適する。より好ましくは、耐酸化性に優れるＮｉＣｒ系耐熱合金又はＩｒ合金とするとよい。

金属線１の断面形状は、円形、正多角形及びそれに近い形状で、寸法は任意としてよいが、より好適には直径０．２〜２ｍｍの円形である。

金属線１の長さは、特に制限がないが、無論、長い金属線１を用いれば、コストをより低くすることができる。

金属線１の本数は、任意としてよいが、電極チップの対称性を考慮する場合には、例えば図１に示されるような、２本、３本、４本、６本、７本、８本、１０本、１８本、１９本が好適であり、より好ましくは、このうち２〜７本である。

ところで、断面積を同一としたとき、式１より導き出されるエッジ長は、図２に示すように増加する。例えば、直径２ｍｍ（Ｄ_１）の金属丸線１本からなる電極チップと同一面積で、７本の金属線を接合してなる本発明の電極チップを得るためには、金属線の直径Ｄ_７を約０．７６ｍｍとし、１本を中心に、他の６本をその外周に配置する。この場合には、エッジ長Ｌ_７は、直径２ｍｍの金属線１本（Ｌ_１）に対し２．６倍まで増加する。

（製造方法）
ろう付による接合方法を図３及び図４によって説明する。図３は、金属線１の移動方向の側面から見た断面図であり、図４は、その移動方向から見た側面図である。

複数の金属線１及び金属線より溶融温度の低い金属２の一端は、フラックス容器３の内部を側面の開口部４を通して貫通させる。フラックス容器３にはペースト状のフラックスが満たされている。このとき、フラックス容器３から突出した金属線１の先端部は、フラックス５によって濡れている。つぎに、金属線１の先端を引き出しながら、ガスバーナ６などの加熱手段によって、金属線１及び金属２を順次加熱し、全長にわたってろう付する。引き出し速度は、金属２が流ろうして金属線１同士のすき間を埋め、かつ、金属線１が熱膨張でたわまない程度の速度が好適である。ここで、金属２の形状やフラックス５の塗布方法は、この例に限定されるものではない。例えば、金属線１に金属２をあらかじめ被覆してもよいし、ペーストろうの適用も好適である。

つぎに、金属浴による接合方法を図５によって説明する。図５は、金属線１の移動方向の側面から見た断面図であり、図６は、底面図である。

複数の金属線１は、図５に示すように、溶融した金属２が満たされた容器７内を、ノズル８を通って通過する。図５には金属線１が７本の例を示したが、本発明の範囲は、当然これに限定されるものではない。このとき、金属線１の移動方向は、鉛直上方に向かうことが好ましいが、鉛直下方であっても差し支えない。又、金属線１が金属２を水平に貫通するように、２つのノズル８を容器７の側壁に設け、金属線１を水平方向に移動させることも可能である。

複数の金属線１は互いに平行であってもよいが、あらかじめ撚り線としておくと、金属線１同士が離れにくくなり好適である。さらに、ノズル８の開口部形状は、円形でもよいが、例えば６角形などの異形としてもよい。

容器７全体は、ガスバーナ６などの火炎やヒータ線などにより加熱され、金属２の溶融温度を超える温度に維持されている。ここで、金属２の溶融温度が、金属線１の溶融温度より高い場合には、金属線１が溶融してしまうため、不適である。

酸化しやすい金属２を用いるときには、容器７内部に不活性ガスを導入する、容器７をカーボン製とする、適当なフラックスで金属２の表面を覆うなどして、その酸化を防ぐとよい。

又、別の実施の形態として、金属線１の拡散接合による接合も好適である。この場合、互いに平行に並べた金属線同士を撚り、隣り合う金属線同士を強固に密着させながら、電気炉、ガスバーナなどの加熱手段によって加熱して拡散接合する。金属線が非貴金属の場合には、非酸化雰囲気で加熱するとよい。金属線表面に、あらかじめ、電気めっき、無電解めっき、その他の被膜形成手段によって、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉなど、金属線より溶融温度の低い金属２の被膜を形成しておくと、より好適で、金属線の材質が、例えば、Ｐｔ合金やＩｒ合金などの高融点金属の場合にも、比較的低温で接合することができる。

ろう付や溶融めっきによって接合する場合の金属線１の断面の一例を図７に、拡散接合によって接合する場合の金属線１の断面の一例を図８に示す。

接合された金属線は、表面を洗浄、研磨し、ワイヤソー、メタルソー、切断砥石など任意の切断手段によって、任意長さに切断し、電極チップ９とする。切断長さは、より好ましくは、０．４〜５ｍｍである。電極チップの一方の切断面は放電面とし、他方の切断面はスパークプラグ本体との接合面とする。図９は、電極チップ９の一例である。

電極チップ９は、抵抗溶接、レーザ溶接、ろう付など公知の接合手段によって、中心電極又は接地電極のいずれか一方か、又はその両方に接合される。接合するスパークプラグが中心電極と中心電極に対向する接地電極とを一対備えたスパークプラグに限らず、沿面放電プラグなどの複数の対向電極を備えたスパークプラグの各々の電極対にも適する。

実施例に用いた金属線は、直径０．４５ｍｍ、長さ１ｍのＩｒ線で、あらかじめアセトンで洗浄し、表面の加工油や汚れを除去した。

（接合）
実施例１は、２本のＩｒ線を抵抗溶接によって接合した。

実施例２は、２本のＩｒ線をろう付によって接合した。ろう材は、ＪＩＳ Ｚ ３２６１：１９９８（銀ろう）が規定するＢＡｇ−７の丸線（直径０．５ｍｍ）を用いた。ろう付用のフラックスは、イシフクフラックス＃３０（石福金属興業株式会社）とした。フラックス容器の側面開口部は、直径１ｍｍの丸穴とした。加熱は、カートリッジ式のガスバーナを用い、引き出し速度は、およそ５０ｍｍ／分とし、ほぼ全長をろう付した。接合したＩｒ線は、フラックス除去のため希塩酸で洗浄した。

実施例３は、３本のＩｒ線をろう付によって接合した。ろう材は、ＪＩＳ Ｚ ３２６６：１９９８（金ろう）が規定するＢＡｕ−４の丸線（直径０．１ｍｍ）を用い、ろう材が３本のＩｒ線の中心となるよう配置した。この他は、実施例２と同じ条件とした。

実施例４は、３本のＩｒ線を金属浴によって接合した。金属浴は、ＢＡｕ−４とした。容器は、カーボン製とし、底面に直径１．０ｍｍの貫通孔をあけた。容器内に、ＢＡｕ−４とイシフクフラックス＃３０を入れ、Ｉｒ線３本をこの貫通孔に通した。
この状態で、容器外部からガスバーナ（都市ガス、酸素）により加熱し、ＢＡｕ−４が完全に溶解したときに、引上げ速度２５００ｍｍ／分で鉛直上方へ引き上げた。この間、容器温度が１１００℃程度になるようにガスバーナを調節した。接合したＩｒ線は、フラックス除去のため希塩酸中で洗浄した。

実施例５は、３本のＩｒ線を金属浴によって接合した。Ｉｒ線を鉛直下方へ引き下げた他は、実施例４と同じ条件とした。

実施例６は、７本のＩｒ線を金属浴によって接合した。Ｉｒ線を７本とし、容器底面の貫通孔を直径１．５ｍｍとした他は、実施例４と同じ条件とした。

（切断）
上記のように接合したＩｒ線は、長さ６０ｍｍ程度に切りそろえ、各実施例につき１６本ずつ、合計９０本を積み重ね、ワックスで固定した。ついで、ワイヤ間隔を１．０ｍｍに設定したワイヤソーにより、切断した。切断後にワックスを洗浄除去し、各実施例につき約５０個、合計３００個もの電極チップを得た。

（結果）
実施例１の電極チップ断面を図１０に、実施例２の電極チップ断面を図１１に、実施例３の電極チップ断面を図１２に、実施例４の電極チップ断面を図１３及び図１４に、実施例５の電極チップ断面を図１５に、実施例６の電極チップ断面を図１６に示す。

図１０〜図１６に示す、いずれの実施例も複数のＩｒ線が一体に接合された電極チップを得ることができた。１回の切断で得られた３００個のなかには、図１３及び図１４に示すように、気泡などの欠陥を含む電極チップもあったが、すべての電極チップは一体であった。

金属線の配列の例 金属線の本数とエッジ長比の関係 ろう付の一例を示す断面図 ろう付の一例を示す側面図 金属浴の一例を示す断面図 金属浴の一例を示す低面図 接合した金属線の一例を示す断面図 接合した金属線の一例を示す断面図 電極チップの例 実施例１を示す断面図 実施例２を示す断面図 実施例３を示す断面図 実施例４を示す断面図 実施例４を示す断面図 実施例５を示す断面図 実施例６を示す断面図

１ 金属線
２ 金属
３ フラックス容器
４ 開口部
５ フラックス
６ ガスバーナ
７ 容器
８ ノズル
９ 電極チップ

Claims (4)

1. スパークプラグの電極チップであって、複数の金属線が、もとの断面形状を保ったまま互いに接合され一体化した電極チップ。
2. 金属線より溶融温度の低い金属によって接合されたことを特徴とする請求項１に記載の電極チップ。
3. 溶接によって接合されたことを特徴とする請求項１に記載の電極チップ。
4. スパークプラグの電極チップの製造方法であって、複数の金属線をその断面形状を変化させることなく互いに接合して一体化する工程と、接合した金属線を任意の長さに切断する工程と、を含むことを特徴とする電極チップの製造方法。