JP6043681B2 - 内燃機関用のスパークプラグの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、互いの間に火花放電ギャップを形成して対向配置された中心電極と接地電極との少なくとも一方が放電チップを備えている、内燃機関用のスパークプラグを製造する方法に関する。

自動車エンジン等の内燃機関においては、燃費向上のために、例えば、低排気量である過給（ターボ）による高効率エンジンが要求されている。これらの高効率エンジンには、着火性能の向上のために、中心電極及び接地電極の少なくとも何れか一方に放電チップを有してなる高性能のスパークプラグが採用されている。

放電チップとしては、耐消耗性を確保すべく、例えばＰｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ等の貴金属、またはレアメタルが用いられる。しかし、コスト低減及び資源の枯渇抑制の観点から、高融点材料の使用量の低減が重要課題として要請されている。この課題の対策として、放電チップを、電極母材と接合される母材接合部と、火花放電ギャップに面する放電部との複合材（クラッド材）により構成したスパークプラグが提案されている。そして、特許文献１には、抵抗溶接と拡散接合とによって、母材接合部と放電部とを接合してなる複合材からなる放電チップを製造する方法が開示されている。

国際公開ＷＯ２０１３／０１５２６２号

しかしながら、上記特許文献１に記載の放電チップ（クラッド電極）には、以下の問題がある。すなわち、この放電チップは、放電部と母材接合部とを接合したものであるため、両者の間に段差が生じやすい。それゆえ、放電チップの側部に母材接合部の角部が現れやすくなる。そうすると、この放電チップをスパークプラグの接地電極または中心電極に使用したとき、母材接合部の角部付近の電界強度が高くなる。それゆえ、放電火花が放電チップの側部における母材接合部の角部に飛びやすくなり、正常な放電火花を形成し難くなるおそれがある。

そこで、放電部と母材接合部との間の段差を無くせばよいが、特許文献１に記載の製造方法の場合、段差のない放電チップを得ることは困難である。つまり、上記製造方法においては、貴金属チップ（放電部）を抵抗溶接によってテープ状基材（母材接合部）に接合した後、基材と貴金属チップとが一体となった部分を打ち抜くため、貴金属チップと基材との間には段差が生じることとなる。つまり、打ち抜き後において、基材の直径が貴金属チップの直径よりも大きくすることとなる。

また、放電部の材料と母材接合部の材料とを貼り合わせた複合板を打ち抜いて、放電チップを作製すれば、放電部と母材接合部との間の段差のない放電チップを得ることは可能である。しかし、打ち抜かれた後の複合板を再生する際に、２種類の材料を分離する必要が生じ、再生コストが高くなってしまうという問題がある。
逆に、打ち抜いた後に、放電部と母材接合部とを接合する場合には、両者の接合面積を一定にするために、母材接合部の直径を放電部の直径よりも大きくしておく必要がある。その結果、母材接合部と放電部との間には段差が生じ、母材接合部の角部がエッジとして放電チップの側部に形成されることとなる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、母材接合部への飛び火を抑制することができる内燃機関用のスパークプラグ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、互いの間に火花放電ギャップを形成して対向配置された中心電極と接地電極との少なくとも一方が、上記火花放電ギャップに向かって突出するようにＮｉ合金からなる電極母材に接合された放電チップを備えている、内燃機関用のスパークプラグを製造する方法であって、
上記火花放電ギャップ側に配された放電部と、該放電部よりも融点の低いＮｉ合金からなると共に上記電極母材と接合される母材接合部とを、互いに接合してなる上記放電チップを作製するチップ作製工程と、
抵抗溶接によって、上記放電チップを上記母材接合部において上記電極母材に仮接合する仮接合工程と、
レーザ溶接によって、上記母材接合部の一部と上記電極母材の一部とを溶融し、凝固させることにより、上記放電部の側面と上記電極母材の表面とが滑らかに繋がるようにしつつ上記放電チップを上記電極母材に接合する本接合工程とを有し、
該接合工程においては、上記放電部を溶融させず、上記母材接合部の一部と上記電極母材の一部とを溶融させ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。

上記本接合工程においては、レーザ溶接によって、母材接合部の一部と電極母材の一部とを溶融し、凝固させることにより、放電チップを電極母材に接合する。これにより、放電部の側面と電極母材の表面とが滑らかに繋がるような状態で、放電チップを電極母材に接合する。それゆえ、得られるスパークプラグにおいて、放電チップの側部に母材接合部の角部が現れることもなく、電界強度が局部的に高くなる部位が母材接合部に形成されることを防ぐことができる。その結果、母材接合部への飛び火を抑制することができる。

また、上記のように、レーザ溶接によって、母材接合部の一部と電極母材の一部とを溶融し、凝固させることにより、放電チップを電極母材に接合するため、特に母材接合部の外形を、放電部の側面と電極母材の表面とに沿うような形状にしやすい。それゆえ、容易に、放電部の側面と電極母材の表面とが滑らかに繋がるようにしつつ放電チップを電極母材に接合することができる。

以上のごとく、本発明によれば、母材接合部への飛び火を抑制することができる内燃機関用のスパークプラグの製造方法を提供することができる。

実施例１における、スパークプラグの先端部の側面図。 実施例１における、チップ作製工程によって得られる放電チップの（ａ）正面図、（ｂ）平面図。 実施例１における、仮接合工程によって電極母材に放電チップを仮接合した状態を示す正面図。 実施例１における、本接合工程によって電極母材に放電チップを溶接した状態を示す正面図。 実施例１における、レーザ溶接の様子を説明する断面説明図。 実施例１における、本接合工程によって電極母材に放電チップを溶接した状態を示す断面説明図。 実施例２における、スパークプラグの先端部の側面図。 実施例２における、レーザ溶接の様子を説明する断面説明図。 実施例２における、本接合工程によって電極母材に放電チップを溶接した状態を示す断面説明図。

上記内燃機関用のスパークプラグにおいて、中心電極が上記放電チップを備えていてもよいし、接地電極が上記放電チップを備えていてもよいし、中心電極と接地電極との双方が上記放電チップを備えていてもよい。
上記スパークプラグは、例えば、自動車エンジン等の内燃機関の燃焼室内における着火手段として用いることができる。

また、上記チップ作製工程において得られる上記放電チップは、上記母材接合部の直径が上記放電部の直径よりも大きいものとすることができる。この場合には、上記チップ作製工程において、放電部と母材接合部との接合を安定して行いやすい。ところが、母材接合部の直径が放電部の直径よりも大きい場合、両者の間には段差が生じ、母材接合部の角部が現れることとなる。この角部が現れたままの状態で放電チップが電極母材に接合されると、スパークプラグの放電火花が母材接合部に飛び火しやすくなる。そこで、上述のごとく、上記本接合工程において、放電部の側面と電極母材の表面とが滑らかに繋がるようにしつつ放電チップを電極母材に接合することにより、母材接合部の角部を取ることができる。これにより、母材接合部への飛び火を効果的に抑制することができる。

（実施例１）
上記内燃機関用のスパークプラグの製造方法にかかる実施例につき、図１〜図６を用いて説明する。
本例の製造方法によって得られるスパークプラグ１は、図１に示すごとく、互いの間に火花放電ギャップ１１を形成して対向配置された中心電極２と接地電極３とが、火花放電ギャップ１１に向かって突出するように電極母材２０、３０に接合された放電チップ４、５をそれぞれ備えている。

本例においては、接地電極３における放電チップ５が、火花放電ギャップ１１側に配された放電部５１と、放電部５１よりも融点の低い材料からなると共に電極母材３０と接合される母材接合部５２とを、互いに接合してなる。一方、中心電極２における放電チップ４は、複合部材ではない。

本例のスパークプラグ１の製造方法は、以下に示す、チップ作製工程と、仮接合工程と、本接合工程とを有する。すなわち、以下の工程を経ることにより、電極母材３０に放電チップ５を接合してなる接地電極３を形成する。
チップ作製工程においては、図２に示すごとく、放電部５１と母材接合部５２とを互いに接合して、放電チップ５を作製する。仮接合工程においては、抵抗溶接によって、図３に示すごとく、放電チップ５を母材接合部５２において電極母材３０に仮接合する。本接合工程においては、レーザ溶接によって、図４に示すごとく、母材接合部５２の一部と電極母材３０の一部とを溶融し、凝固させることにより、放電部５１の側面５１１と電極母材３０の表面とが滑らかに繋がるようにしつつ放電チップ５を電極母材３０に接合する。

図１に示すごとく、接地電極３の電極母材３０は、スパークプラグ１のハウジング１２の先端から先端側へ延びると共に中心軸側へ屈曲している。中心電極２の電極母材２０は、ハウジング１２の内側に保持された絶縁碍子１３の内側に保持されている。ハウジング１２及び接地電極３の電極母材３０は、いずれもニッケル合金からなる。また、中心電極２の電極母材２０もニッケル合金からなる。

そして、接地電極３の電極母材３０は、スパークプラグ１の軸方向（以下において、適宜「プラグ軸方向」という。）において中心電極２と対向する対向面３１を備え、該対向面３１に、放電チップ５が接合されている。また、プラグ軸方向において対向面３１に対向する、中心電極２の電極母材２０の先端に、放電チップ４が接合されている。本例において、中心電極２の放電チップ４は、複合部材ではなく、例えば、イリジウム合金等の貴金属チップからなる。すなわち、貴金属からなる放電チップ４が、中心電極２の電極母材２０の先端に溶接等によって接合されている。

一方、接地電極３の放電チップ５は、上述のごとく、放電部５１と母材接合部５２とを互いに接合した複合部材からなる。この複合部材からなる放電チップ５を備えた接地電極３を形成するにあたって、上記のチップ作製工程と、仮接合工程と、本接合工程とを行う。各工程の一例につき、以下に具体的に説明する。

チップ作製工程においては、まず、比較的高融点（例えば、融点１７００℃以上）の材料からなる放電部５１と、放電部５１よりも低融点の材料からなる母材接合部５２を用意する。放電部５１の材料としては、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｏｓ（オスミウム）等を用いることができる。また、母材接合部５２としては、例えばＮｉ（ニッケル）合金を用いることができる。なお、このＮｉ合金としては、例えば、融点１４００〜１４５０℃のものを用いることができる。

これらの金属部材を打ち抜き加工等することによって、それぞれ、円柱形状の放電部５１及び母材接合部５２とする。そして、母材接合部５２の直径は、放電部５１の直径よりも大きい。
このように形成された円柱形状の放電部５１と母材接合部５２とを、図２に示すごとく、両者の中心軸を一致させつつ軸方向に重ね合わせる。そして、両者を互いに押圧した状態で、熱処理を行い、放電部５１と母材接合部５２とを拡散接合によって接合する。これにより、複合部材（クラッド材）としての放電チップ５を得る。それゆえ、放電チップ５における放電部５１と母材接合部５２との界面付近には、放電部５１と母材接合部５２のそれぞれ材料の原子が互いに相手側に拡散した拡散層（図示略）が形成されている。

上記チップ作製工程において得られる放電チップ５は、母材接合部５２の直径が放電部の直径よりも大きい。それゆえ、この段階においては、母材接合部５２と放電部５１との間には、段差が形成されており、この段差部分に母材接合部５２の角部５２１がエッジ状に突出して現れている。

チップ作製工程において得られた放電チップ５を、仮接合工程において、図３に示すごとく、電極母材３０の対向面３１に仮接合する。仮接合は、抵抗溶接によって行う。すなわち、電極母材３０の対向面３１における所定の位置に、放電チップ５を母材接合部５２側の面において当接させる。そして、放電チップ５を、抵抗溶接の電極によって、電極母材３０との間で挟持しつつ、放電チップ５と電極母材３０との間に電流を流す。これにより、ジュール熱によって放電チップ５を電極母材３０に溶接して、仮接合する。

次いで、本接合工程において、レーザ溶接によって、図４に示すごとく、放電チップ５を電極母材３０に接合する。すなわち、図５に示すごとく、電極母材３０に仮接合された放電チップ５に対して、その接合部の周囲から、レーザ光Ｌを照射する。ここで、レーザ光Ｌは、電極母材３０に対する接合部の全周にわたる複数箇所から照射する。また、放電部５１の融点よりも低い温度にてレーザ溶接を行う。すなわち、本接合工程においては、放電部５１を溶融させず、母材接合部５２の一部と電極母材３０の一部とを溶融させる。これにより、図６に示すごとく、母材接合部５２の外周部に、母材接合部５２と電極母材３０とが溶け合って凝固した溶融部５２２が環状に形成される。

また、このレーザ溶接によって、母材接合部５２の角部５２１（図３、図５）が、図４、図６に示すごとく、形状的に除去されて、放電部５１の側面５１１と電極母材３０の表面（対向面３１）とを滑らかにつなぐような傾斜面５２３が形成される。この傾斜面５２３は、放電チップ５の中心軸を通る平面による断面の形状が、曲線と直線とを滑らかに繋ぐような形状となっていると共に、放電部５１の側面５１１と電極母材３０の対向面３１とも滑らかに繋がっている。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記本接合工程においては、レーザ溶接によって、母材接合部５２の一部と電極母材３０の一部とを溶融し、凝固させることにより、放電チップ５を電極母材３０に接合する。これにより、放電部５１の側面５１１と電極母材３０の対向面３１とが滑らかに繋がるような状態で、放電チップ５を電極母材３０に接合する。それゆえ、得られるスパークプラグ１において、放電チップ５の側部に母材接合部５２の角部５２１（図３）が現れることもなく、電界強度が局部的に高くなる部位が母材接合部５２に形成されることを防ぐことができる。その結果、母材接合部５２への飛び火を抑制することができる。

また、上記のように、レーザ溶接によって、母材接合部５２の一部と電極母材３０の一部とを溶融し、凝固させることにより、放電チップ５を電極母材３０に接合するため、特に母材接合部５２の外形を、図４に示すごとく、放電部５１の側面５１１と電極母材３０の対向面３１とに沿うような形状にしやすい。それゆえ、容易に、放電部５１の側面５１１と電極母材３０の対向面３１とが滑らかに繋がるようにしつつ放電チップ５を電極母材３０に接合することができる。

また、チップ作製工程において得られる放電チップ５（図２）は、母材接合部５２の直径が放電部５１の直径よりも大きい。これにより、放電部５１と母材接合部５２との接合を安定して行いやすい。すなわち、放電部５１の端面の全面を母材接合部５２に容易に当接させることができるため、母材接合部５１に対する接合面積を一定とすることが容易となり、接合強度を安定して得ることができる。ところが、母材接合部５２の直径が放電部５１の直径よりも大きい場合、両者の間には段差が生じ、母材接合部５２の角部５２１が現れることとなる。この角部５２１が現れたままの状態で放電チップ５が電極母材３０に接合されると、スパークプラグ１の放電火花が母材接合部５２に飛び火しやすくなる。そこで、上述のごとく、本接合工程において、放電部５１の側面５１１と電極母材３０の対向面３１とが滑らかに繋がるようにしつつ放電チップ５を電極母材３０に接合することにより、図４に示すごとく、母材接合部５２の角部５２１を取ることができる。これにより、放電チップ５の側面を放電部５１の側面５１１から電極母材３０の表面（対向面３１）にかけて、角部５２１等の突起のない滑らかな形状でつなぐことができる。その結果、母材接合部５２への飛び火を効果的に抑制することができる。

また、本接合工程においては、放電部５１の融点よりも低い温度にてレーザ溶接を行う。これにより、高融点材料からなる放電部５１の体積及び形状を、充分に確保して、スパークプラグ１の耐消耗性を確保することができる。

以上のごとく、本例によれば、母材接合部への飛び火を抑制することができる内燃機関用のスパークプラグの製造方法を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図７〜図９に示すごとく、中心電極２の放電チップ４も、火花放電ギャップ１１側に配された放電部４１と、放電部４１よりも融点の低い材料からなると共に電極母材２０と接合される母材接合部４２とを、互いに接合してなる複合材によって構成した例である。

そして、中心電極２を形成する際にも、実施例１において説明した、チップ作製工程と、仮接合工程と、本接合工程とを行う。
チップ作製工程は、実施例１のチップ作製工程と同様に、放電部４１と母材接合部４２とを拡散接合して、放電チップ４を得る。次いで、仮接合工程において、放電チップ４を、図８に示すごとく、中心電極２の電極母材２０の先端面２１に、抵抗溶接によって仮接合する。すなわち、放電チップ４を接合する前の中心電極２の電極母材２０の先端部分は、略円錐形状となっていると共にその先端が軸方向に直交する平坦面を有する。この平坦面である先端面２１に、母材接合部４２側を当接させるようにして放電チップ４を仮接合する。

次いで、本接合工程において、レーザ溶接によって、放電チップ４を電極母材２０に接合する。このとき、放電チップ４の母材接合部４２と電極母材２０との溶融部４２２が環状に形成される。そして、母材接合部４２の角部４２１（図８）が、図９に示すごとく、形状的に除去されて、放電部４１の側面４１１と電極母材２０の表面（略円錐状部分の側面２２）とを滑らかにつなぐような傾斜面４２３が形成される。この傾斜面４２３は、放電チップ５の中心軸を通る平面による断面の形状が、曲線と直線とを滑らかに繋ぐと共に、放電部４１の側面４１１と電極母材２０の表面（側面２２）とも滑らかに繋ぐような形状となっている。

その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、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。

本例の場合には、中心電極２側においても、放電火花が電極母材４２へ飛び火することを抑制することができる。その結果、中心電極２と接地電極３との放電部４１、５１同士の間において、より確実に正常な放電火花を生じさせることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

なお、上記実施例以外にも、例えば、中心電極を実施例２と同様の構成としつつ、接地電極の放電チップを複合材ではない金属チップによって構成したり、接地電極に放電チップを設けない構成とたりすることもできる。

１ スパークプラグ
１１ 火花放電ギャップ
２ 中心電極
２０ （中心電極の）電極母材
３ 接地電極
３０ （接地電極の）電極母材
４ （中心電極の）放電チップ
４１ （中心電極の）放電部
４２ （中心電極の）母材接合部
５ （接地電極の）放電チップ
５１ （接地電極の）放電部
５２ （接地電極の）母材接合部

Claims (3)

1. 互いの間に火花放電ギャップ（１１）を形成して対向配置された中心電極（２）と接地電極（３）との少なくとも一方が、上記火花放電ギャップ（１１）に向かって突出するようにＮｉ合金からなる電極母材（２０、３０）に接合された放電チップ（４、５）を備えている、内燃機関用のスパークプラグ（１）を製造する方法であって、
   上記火花放電ギャップ（１１）側に配された放電部（４１、５１）と、該放電部（４１、５１）よりも融点の低いＮｉ合金からなると共に上記電極母材（２０、３０）と接合される母材接合部（４２、５２）とを、互いに接合してなる上記放電チップ（４、５）を作製するチップ作製工程と、
   抵抗溶接によって、上記放電チップ（４、５）を上記母材接合部（４２、５２）において上記電極母材（２０、３０）に仮接合する仮接合工程と、
   レーザ溶接によって、上記母材接合部（４２、５２）の一部と上記電極母材（２０、３０）の一部とを溶融し、凝固させることにより、上記放電部（４１、５１）の側面（４１１、５１１）と上記電極母材（２０、３０）の表面（２２、３１）とが滑らかに繋がるようにしつつ上記放電チップ（４、５）を上記電極母材（２０、３０）に接合する本接合工程とを有し、
   該接合工程においては、上記放電部（４１、５１）を溶融させず、上記母材接合部（４２、５２）の一部と上記電極母材（２０、３０）の一部とを溶融させ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。
2. 上記チップ作製工程において得られる上記放電チップ（４、５）は、上記母材接合部（４２、５２）の直径が上記放電部（４１、５１）の直径よりも大きい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）の製造方法。
3. 上記本接合工程においては、上記放電部（４１、５１）の融点よりも低い温度にてレーザ溶接を行うことを特徴とする請求項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。

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