JP5861671B2

JP5861671B2 - 内燃機関用のスパークプラグ及び、その製造方法

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Publication number: JP5861671B2
Application number: JP2013121568A
Authority: JP
Inventors: 阿部　信男; 阿部　　信男; 勇樹村山
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-06-10
Filing date: 2013-06-10
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2033-06-10
Also published as: US9041275B2; JP2014238994A; US20140361679A1

Description

本発明は、内燃機関用のスパークプラグ及び、その製造方法に関する。

内燃機関用のスパークプラグにおいては、寿命向上を目的として、例えば、タングステン合金等の高融点材料が中心電極に用いられる。この高融点材料は、高価であるため、ニッケル合金等によって電極母材を形成し、中心電極において特に消耗しやすい先端部を、部分的に高融点材料によって形成したものがある。高融点材料は一般的に熱膨張係数が小さく、ニッケル合金等の電極母材との熱膨張差による熱応力の緩和が重要である。

このようなスパークプラグとしては、例えば、特許文献１に示されたものがある。特許文献１のスパークプラグは、ニッケル合金からなる電極母材と、電極母材の先端に接合されたタングステン合金からなる放電チップとを有している。電極母材と放電チップとは、レーザ溶接によって、電極母材の一部と放電チップの一部とが溶け合った融接部で接合されている。融接部は、電極母材と放電チップとの接合界面の外縁部に沿って環状に形成されている。

特開平７−０３７６３７号公報

しかしながら、特許文献１の内燃機関用のスパークプラグにおいては以下の課題がある。
特許文献１に示されたスパークプラグにおいて、電極母材と放電チップとは、環状に形成された融接部によって接合されている。つまり、環状に形成された融接部の内周側には、電極母材と放電チップとが互いに接合されていない非接合部が存在する。そのため、融接部と非接合部との境界部分において熱応力が集中し、亀裂等の接合不良が発生するおそれがある。

また、非接合部をなくすために、融接部の形成範囲を拡大し、電極母材と放電チップとの接合界面全体に融接部を形成することも考えられる。しかし、電極母材の融点と放電チップの融点とに差があるため、融点の低い電極母材が溶融過多となり、電極母材の材料の飛散、揮発等が生じることが懸念される。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、電極母材と放電チップとの間に生じる熱応力を緩和し、両者を確実に接合することのできる内燃機関用のスパークプラグ及び、その製造方法を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、中心電極の一部を構成する電極母材と、
該電極母材の先端に接合された電極母材よりも融点の高い材料からなる放電チップとを有しており、
上記電極母材と上記放電チップとは、該電極母材と該放電チップとの接合界面の外縁部に沿って環状に形成され、上記電極母材の一部と上記放電チップの一部とが溶け合った融接部と、
上記接合界面における上記融接部の内周側において、上記電極母材の一部と上記放電チップの一部とが、互いに拡散した拡散層と、
上記電極母材と上記融接部との界面、及び上記放電チップと上記融接部との界面に、互いの材料が拡散して形成された拡散層とによって、上記接合界面の全体において接合されており、
上記拡散層の厚さｔが０．５μｍ≦ｔ≦２０μｍであることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグにある。

本発明の他の態様は、上記内燃機関用のスパークプラグの製造方法であって、
上記電極母材と上記放電チップとを互いに圧接させた状態で抵抗溶接によって両者を仮接合する仮接合工程と、
互いに仮接合された上記電極母材と上記放電チップとを互いの接合界面における外周縁に沿ってレーザ溶接することにより上記電極母材の一部と上記放電チップの一部とが溶け合った融接部を環状に形成する融接工程と、
上記電極母材と上記放電チップとを加熱することにより、上記融接部の内周側において、上記電極母材と上記放電チップとの間で両者の材料が拡散した拡散層と、上記電極母材と上記融接部との界面、及び上記放電チップと上記融接部との界面に、互いの材料が拡散した拡散層とを形成して、上記電極母材と上記放電チップとを上記接合界面の全体において接合する熱処理工程とを備えており、
該熱処理工程において、上記拡散層の厚さｔを０．５μｍ≦ｔ≦２０μｍとすることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグの製造方法にある。

上記内燃機関用のスパークプラグにおいて、上記電極母材と上記放電チップとは、環状に形成された上記融接部と、該融接部の内周側に形成された上記拡散層とによって接合されている。つまり、上記電極母材と上記放電チップとは、上記融接部に加えて、上記拡散層によっても接合されている。したがって、上記電極母材と上記放電チップとにおける、接合界面の全体を接合することができる。これにより、上記接合界面とその周囲における熱応力の急激な変化を抑制すると共に、上記電極母材と上記放電チップとの間に生じる熱応力を分散し、上記中心電極における熱応力の集中を緩和することができる。

また、上記融接部及び上記拡散層における熱膨張係数は、上記電極母材の熱膨張係数と上記放電チップの熱膨張係数との中間の熱膨張係数となる。そのため、上記融接部及び上記拡散層と、上記電極母材及び上記放電チップとの間の熱膨張係数の差は、上記電極母材と上記放電チップとの間の熱膨張係数の差に比べて小さい。したがって、上記接合界面における、熱応力の発生をより抑制することができる。
このように、熱応力を抑制し緩和することにより、上記電極母材と上記放電チップとの接合界面における接合不良の発生を抑制し、上記電極母材と上記放電チップとを確実に接合することができる。

また、上記拡散層においては、上記電極母材と上記放電チップとが拡散接合しており、両者は溶融することなく接合されている。したがって、上記電極母材の溶融過多を防止しながら、安定して上記電極母材と上記放電チップとを接合することができる。

また、上記内燃機関用のスパークプラグの製造方法においては、上記仮接合工程、上記融接工程、及び上記熱処理工程を備えている。そのため、上記電極母材と上記放電チップとの接合界面に、上記融接部と上記拡散層とを確実に形成することができる。これにより、上述の優れた上記内燃機関用のスパークプラグを容易かつ、確実に製造することができる。

実施例１における、内燃機関用のスパークプラグの断面図。実施例１における、スパークプラグの中心電極を示す拡大断面図。実施例１における、接合前の中心電極を示す拡大断面図。実施例１における、仮接合工程後の中心電極を示す拡大断面図。実施例１における、融接工程後の中心電極を示す拡大断面図。実施例１における、製造工程を示す説明図。実施例２における、スパークプラグの中心電極を示す拡大断面図。

上記内燃機関用のスパークプラグにおいて、上記電極母材と上記融接部との界面、及び上記放電チップと上記融接部との界面に、拡散層が形成されていることが好ましい。この場合には、上記電極母材と上記融接部との界面、及び上記放電チップと上記融接部との界面における熱応力をより効果的に抑制、緩和することができる。

また、上記内燃機関用のスパークプラグの製造方法においては、上記仮接合工程を実施した後、次いで上記融接工程を実施し、該融接工程を実施した後、次いで上記熱処理工程を実施することが好ましい。この場合には、上記電極母材と上記融接部との界面、及び上記放電チップと上記融接部との界面に、互いの材料が拡散した拡散層を形成することができる。これにより、中心電極における熱応力を、より効果的に緩和することができる。

（実施例１）
上記内燃機関用のスパークプラグ及びその製造方法について、図１〜図６を参照して説明する。
図２に示すごとく、内燃機関用のスパークプラグ１は、中心電極２の一部を構成する電極母材２１と、電極母材２１の先端に接合された電極母材２１よりも融点の高い材料からなる放電チップ２２とを有している。電極母材２１と放電チップ２２とは、融接部２３１と、拡散層２３２とによって接合されている。

図２に示すごとく、融接部２１は、電極母材２１の一部と放電チップ２２の一部とが溶け合い、電極母材２１と放電チップ２２との接合界面２３の外縁部に沿って環状に形成されている。
また、拡散層２３２は、接合界面２３における融接部２３１の内周側において、電極母材２１の一部と放電チップ２２の一部とが互いに拡散して形成されている。

以下、さらに詳細に説明する。
図１に示すごとく、本例のスパークプラグ１は、自動車の内燃機関において、燃料の着火をするためのものである。軸方向において、スパークプラグ１の一端は、点火コイル（図示略）と接続され、反対側の他端は、燃焼室内に配される。尚、本例においては、図１に示すごとく、軸方向における点火コイルと接続される側を基端側Ｒとし、燃焼室内に配される側を先端側Ｆとして説明する。

図１に示すごとく、スパークプラグ１は、筒状の絶縁碍子３と、絶縁碍子３を内側に保持する筒状のハウジング４と、ハウジング４と接続された接地電極４１と、絶縁碍子３の内側に配された、中心電極２、ステム５及び抵抗体６とを備えている。

図１に示すごとく、絶縁碍子３は、アルミナを略円筒形状に形成してなり、その内側に中心電極２、ステム５及び抵抗体６を保持するように形成されている。
また、絶縁碍子３の外側には、略円筒形状に形成されたハウジング４が配されている。ハウジング４は、絶縁碍子３における先端部を突出させるように、絶縁碍子３の略中央位置から先端側を覆っている。また、ハウジング４の先端面には、接地電極４１が配されている。

図１に示すごとく、接地電極４１は、ハウジング４の先端面の一部から、先端側Ｆに延びる延設部４１１と、延設部４１１の先端から径方向内側に向かって、軸方向と直角に屈曲した対向部４１２とを有している。対向部４１２の先端近傍は、中心電極２の先端と軸方向において対向している。

図１及び図２に示すごとく、中心電極２は略円柱状に形成された電極母材２１と、電極母材２１の先端に接合された放電チップ２２とを有している。
図３に示すごとく、電極母材２１は、融点が１４００℃のニッケル合金からなり、接合前の状態において、先端側に向かって縮径した略円錐台形状をなす電極テーパ部２１１と、電極テーパ部２１１の先端面から先端側に延びる台座部２１２とを有している。台座部２１２は、接合前の状態において、円柱状をなしており、電極テーパ部２１１の先端面における直径と、同一の直径によって形成されている。尚、電極母材２１は、ニッケル合金以外にも、ステンレス等の鉄合金等の材料によって形成してもよい。いずれの材料においても、融点Ｍ１が１３００℃≦Ｍ１≦１５００℃を満足することが好ましい。

図３に示すごとく、放電チップ２２は、融点が２４００℃のタングステン合金からなり、接合前の状態において、円柱状をなしている。接合前の放電チップ２２の直径は、台座部２１２の直径よりも小さく形成されている。尚、放電チップ２２は、タングステン合金以外にも、イリジウム、ルテニウム、レニウム、モリブデン、ジルコニウム、ハフニウム又はその合金等の材料によって形成してもよい。いずれの材料においても、融点Ｍ２が２２００℃≦Ｍ２≦３０００℃を満足することが好ましい。

図３に示すごとく、電極母材２１と放電チップ２２とは、電極母材２１の先端面２１３と、放電チップ２２の基端面２２１とを当接させて配される。この先端面２１３と基端面２２１とが互いに接触している境界面が接合界面２３となる。

図２に示すごとく、接合後の電極母材２１と放電チップ２２との接合界面２３には、融接部２３１と拡散層２３２、２３５とが形成されている。
融接部２３１は、接合界面２３の外縁部に沿って環状に形成されており、電極母材２１の一部と放電チップ２２の一部とが溶け合っている。本例においては、電極母材２１の電極テーパ部２１１における外周側の部位、台座部２１２における外周側の部位、及び放電チップ２２の基端側における外周側の部位が溶け合って融接部２３１を形成している。

また、電極母材２１と融接部２３１との境界、及び放電チップ２２と融接部２３１との境界に形成された界面２３４の周囲には、互いの材料が拡散した拡散層２３５が形成されている。尚、拡散層２３５の厚さｔは、１μｍ〜１５μｍに設定されている。

図２に示すごとく、接合界面２３における融接部２３１の内周側に形成された拡散層２３２は、電極母材２１の一部と放電チップ２２の一部とが互いに拡散して接合されている。本例においては、接合界面２３における融接部２３１の内周側で、電極母材２１の先端面２１３と放電チップ２２の基端面２２１との接合界面２３の周囲に拡散層２３２が形成されている。
尚、拡散層２３２の厚さｔは、１μｍ〜１５μｍに設定されている。

次に、本例の内燃機関用のスパークプラグ１の製造方法について説明する。
図４及び図６に示すごとく、まず、仮接合工程１０１において、電極母材２１と放電チップ２２とを抵抗溶接によって仮接合する。
仮接合工程１０１においては、対向して配された一対の溶接電極（図示略）によって、電極母材２１と放電チップ２２とを軸方向に圧接しながら通電させることにより、電極母材２１と放電チップ２２との間に抵抗熱を発生させ接合する。

このとき、抵抗熱によって電極母材２１を軟化させると共に、軟化した電極母材２１が変形する程度の力によって、電極母材２１と放電チップ２２とを圧接する。これにより、軟化した電極母材２１を、放電チップ２２表面の微小な凹凸に沿うように変形させることができる。それゆえ、接合界面２３において、電極母材２１と放電チップ２２とを確実に面接触させ、確実に仮接合をすることができる。

次に、図５及び図６に示すごとく、融接工程１０２において、電極母材２１と放電チップ２２とをレーザ溶接によって接合する。仮接合された電極母材２１と放電チップ２２との接合界面２３における外周縁部に沿って、レーザ光線を照射すると共にシールドガスを吹き付けることにより、電極母材２１の一部と放電チップ２２の一部とが溶け合って融接部２３１を形成する。融接部２３１は、電極母材２１における電極テーパ部２１１の一部及び台座部２１２の一部と、放電チップ２２の基端側の一部とが溶け合うことにより、接合界面２３における外周縁部に沿って環状に形成されている。

次に、図３及び図６に示すごとく、熱処理工程において、拡散層２３２、２３５を形成する。本例においては、融接工程１０２を経た中心電極２を、９００℃の雰囲気中において２時間加熱し熱処理を行った。これにより、接合界面２３における融接部２３１の内周側の電極母材２１と放電チップ２２の間で、互いに材料が移動し拡散層２３２が形成される。また、界面２３４において、融接部２３１と電極母材２１との間、及び融接部２３１と放電チップ２２との間で、互いに材料が移動し、拡散層２３５が形成される。
これにより、上述のスパークプラグ１における中心電極２の製造が完了する。

次に、本例の作用効果について説明する。
内燃機関用のスパークプラグ１において、電極母材２１と放電チップ２２とは、環状に形成された融接部２３１と、融接部２３１の内周側に形成された拡散層２３２とによって接合されている。つまり、電極母材２１と放電チップ２２とは、融接部２３１に加えて、拡散層２３２によっても接合されている。したがって、電極母材２１と放電チップ２２とにおける、接合界面２３の全体を接合することができる。これにより、接合界面２３とその周囲における熱応力の急激な変化を抑制すると共に、電極母材２１と放電チップ２２との間に生じる熱応力を分散し、中心電極２における熱応力の集中を緩和することができる。

また、融接部２３１及び拡散層２３２における熱膨張係数は、電極母材２１の熱膨張係数と放電チップ２２の熱膨張係数との中間の熱膨張係数となる。そのため、融接部２３１及び拡散層２３２と、電極母材２１及び放電チップ２２との間の熱膨張係数の差は、電極母材２１と放電チップ２２との間の熱膨張係数の差に比べて小さい。したがって、熱応力の発生を抑制することができる。
このように、熱応力を抑制し緩和することにより、電極母材２１と放電チップ２２との接合界面２３における接合不良の発生を抑制し、電極母材２１と放電チップ２２とを確実に接合することができる。

また、拡散層２３２においては、電極母材２１と放電チップ２２とが拡散接合しており、両者は溶融することなく接合されている。したがって、電極母材２１の溶融過多を防止し、安定して電極母材２１と放電チップ２２とを接合することができる。

また、電極母材２１と融接部２３１との境界、及び放電チップ２２と融接部２３１との境界に形成された界面２３４の周囲には、拡散層２３５が形成されている。そのため、電極母材２１と融接部２３１との間、及び放電チップ２２と融接部２３１との間における熱応力をより抑制し、緩和することができる。

また、電極母材２１を形成する材料の融点Ｍ１は、１３００℃≦Ｍ１≦１５００℃の範囲内にあり、放電チップ２２を形成する材料の融点Ｍ２は、２２００℃≦Ｍ２≦２８００℃の範囲内にある。そのため、中心電極２の寿命を向上しつつ、電極母材２１と放電チップ２２とを確実に接合することができる。

すなわち、Ｍ１≧１３００℃とすることにより、電極母材２１と放電チップ２２との融点の差が大きくなりすぎることを防ぎ、電極母材２１と放電チップ２２との接合を確実に行うことができる。
Ｍ１≦１５００℃とすることにより、電極母材２１を低融点の比較的安価な材料によって形成することができる。
Ｍ２≧２２００℃とすることにより、放電チップ２２を高融点の材料によって形成し、スパークプラグの寿命を向上することができる。
Ｍ２≦２８００℃とすることにより、電極母材２１と放電チップ２２との融点の差が大きくなり接合が難しくなることがある。
尚、融点Ｍ１と融点Ｍ２との差は８００℃〜１４００℃の範囲内にあることが好ましい。この場合には、上記電極母材と上記放電チップとをより確実に接合することができる。

また、拡散層２３２、２３５の厚さｔが０．５μｍ≦ｔ≦２０μｍの範囲内にある。そのため、拡散層２３２、２３５によって確実に熱応力を緩和することができる。
厚さｔ≧０．５μｍとすることにより、拡散層２３２、２３５における熱応力の緩和効果を確実に得ることができる。
厚さｔ≦２０μｍとすることにより、拡散層２３２、２３５を形成するための熱処理を適当な時間で行うことができる。

また、内燃機関用のスパークプラグ１の製造方法においては、仮接合工程１０１、融接工程１０２、及び熱処理工程を備えている。そのため、電極母材２１と放電チップ２２との接合界面２３に、融接部２３１と拡散層２３２とを確実に形成することができる。これにより、上述の優れた内燃機関用のスパークプラグ１を容易かつ、確実に製造することができる。

また、仮接合工程１０１を実施した後、次いで融接工程１０２を実施し、融接工程１０２を実施した後、次いで熱処理工程１０３を実施する。そのため、電極母材２１と融接部２３１との界面２３４、及び放電チップ２２と融接部２３１との界面２３４に、互いの材料が拡散した拡散層２３５を形成することができる。これにより、中心電極２における熱応力をより緩和することができる。

以上のごとく、本例の内燃機関用のスパークプラグ１によれば、電極母材２１と放電チップ２２との間に生じる熱応力を緩和し、両者を確実に接合することができ、内燃機関用のスパークプラグ１の製造方法によって、内燃機関用のスパークプラグ１を容易かつ、確実に製造することができる。

（実施例２）
本例は、内燃機関用のスパークプラグ１の製造方法を変更した例である。
実施例１においては、仮接合工程、融接工程、熱処理工程を順次実施したが、本例においては、仮接合工程の次に、熱処理工程を実施し、熱処理工程の次に融接工程を実施した。
尚、本例又は本例に関する図面に用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例においては、図７に示すごとく、融接部２３１と電極母材２１との間、及び融接部２３１と放電チップ２２との間には、拡散層が形成されず、融接部２３１の内周側において電極母材２１と放電チップ２２との間で拡散層２３２が形成される。
本例においても実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

１内燃機関用のスパークプラグ
２中心電極
２１電極母材
２２放電チップ
２３接合界面
２３１融接部
２３２拡散層

Claims

中心電極（２）の一部を構成する電極母材（２１）と、
該電極母材（２１）の先端に接合された電極母材（２１）よりも融点の高い材料からなる放電チップ（２２）とを有しており、
上記電極母材（２１）と上記放電チップ（２２）とは、該電極母材（２１）と該放電チップ（２２）との接合界面（２３）の外縁部に沿って環状に形成され、上記電極母材（２１）の一部と上記放電チップ（２２）の一部とが溶け合った融接部（２３１）と、
上記接合界面（２３）における上記融接部（２３１）の内周側において、上記電極母材（２１）の一部と上記放電チップ（２２）の一部とが、互いに拡散した拡散層（２３２）と、
上記電極母材（２１）と上記融接部（２３１）との界面（２３４）、及び上記放電チップ（２２）と上記融接部（２３１）との界面（２３４）に、互いの材料が拡散して形成された拡散層（２３５）とによって上記接合界面（２３）の全体において接合されており、
上記拡散層（２３２、２５３）の厚さｔが０．５μｍ≦ｔ≦２０μｍであることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ（１）。
上記電極母材（２１）を形成する材料の融点Ｍ１は、１３００℃≦Ｍ１≦１５００℃であり、上記放電チップ（２２）を形成する材料の融点Ｍ２は、２２００℃≦Ｍ２≦２８００℃であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用のスパークプラグ（１）。
請求項１又は２に記載の内燃機関用のスパークプラグ（１）の製造方法であって、
上記電極母材（２１）と上記放電チップ（２２）とを互いに圧接させた状態で抵抗溶接によって両者を仮接合する仮接合工程と、
互いに仮接合された上記電極母材（２１）と上記放電チップ（２２）とを互いの接合界面（２３）における外周縁に沿ってレーザ溶接することにより上記電極母材（２１）の一部と上記放電チップ（２２）の一部とが溶け合った融接部（２３１）を環状に形成する融接工程と、
上記電極母材（２１）と上記放電チップ（２２）とを加熱することにより、上記融接部（２３１）の内周側において、上記電極母材（２１）と上記放電チップ（２２）との間で両者の材料が拡散した拡散層（２３２）と、上記電極母材（２１）と上記融接部（２３１）との界面（２３４）、及び上記放電チップ（２２）と上記融接部（２３１）との界面（２３４）に、互いの材料が拡散した拡散層（２３５）とを形成するとともに、上記電極母材（２１）と上記放電チップ（２２）とを、上記接合界面（２３）の全体において接合する熱処理工程とを備えており、
該熱処理工程において、上記拡散層（２３２、２５３）の厚さｔを０．５μｍ≦ｔ≦２０μｍとすることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ（１）の製造方法。
上記仮接合工程を実施した後、次いで上記融接工程を実施し、該融接工程を実施した後、次いで上記熱処理工程を実施することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関用のスパークプラグ（１）の製造方法。