JP6263286B1 - スパークプラグの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接部を均一にできるスパークプラグの製造方法を提供すること。【解決手段】チップが溶接された接地電極を備えるスパークプラグを製造する製造方法であって、チップが溶接される予定の第１部を少なくとも除いてメッキ層が形成された接地電極を準備する準備工程と、準備工程後の接地電極の第１部にレーザビーム又は電子ビームを照射する照射工程と、照射工程後の接地電極の第１部に抵抗溶接によりチップを接合する接合工程と、を備えている。【選択図】図５

Description

本発明はスパークプラグの製造方法に関し、特に抵抗溶接で接地電極にチップを接合するスパークプラグの製造方法に関するものである。

耐火花消耗性を高めるため、貴金属を含有するチップが接地電極に接合されたスパークプラグが知られている。特許文献１には、亜鉛メッキ又はニッケルメッキが施された接地電極の先端部のメッキを除去した後、接地電極の先端部にチップを重ね、先端部とチップとの接触抵抗で生じるジュール熱を利用した抵抗溶接で互いを接合する技術が開示されている。

特開２０１１−８２０８４号公報

しかしながら上記従来の技術では、メッキが除去された先端部の表面状態のばらつきや先端部を覆う酸化膜の影響で、ワーク毎にチップと先端部との接触抵抗にばらつきが生じ、ワーク間で溶接部が不均一になる可能性がある。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、溶接部を均一に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している。

この目的を達成するために本発明は、チップが溶接された接地電極を備えるスパークプラグを製造する製造方法であって、チップが溶接される予定の第１部を少なくとも除いてメッキ層が形成された接地電極を準備する準備工程と、準備工程後の接地電極の第１部にレーザビーム又は電子ビームを照射する照射工程と、照射工程後の接地電極の第１部に抵抗溶接によりチップを接合する接合工程と、を備えている。

請求項１記載のスパークプラグの製造方法によれば、準備工程により、チップが溶接される予定の第１部を少なくとも除いて、メッキ層が形成された接地電極が準備される。照射工程により、準備工程後の接地電極の第１部にレーザビーム又は電子ビームが照射されるので、ワーク毎の第１部の表面状態のばらつきを小さくできる。照射工程後の接地電極の第１部とチップとの接触抵抗のばらつきを抑制できるので、抵抗溶接によってチップが接合される溶接部をワーク間で均一にできる効果がある。

さらに、準備工程において準備される接地電極は、第１部の裏側に位置する第２部を少なくとも除いてメッキ層が形成される。照射工程において、準備工程後の接地電極の第２部にレーザビーム又は電子ビームが照射されるので、第２部の表面状態のばらつきを小さくできる。接地電極の第１部にチップを重ね、接地電極の第２部とチップとを電極で挟み、電極に加圧力を加えて電流を流すとチップと接地電極とが接合される。接地電極の第２部と電極との接触抵抗のばらつきを抑制できるので、溶接部をより均一にできる効果がある。

スパークプラグの片側断面図である。 主体金具および接地電極の断面図である。 （ａ）はメッキ層が除去された接地電極の断面図であり、（ｂ）はレーザビームが照射された接地電極の断面図である。 （ａ）はレーザビームが照射された接地電極の拡大図であり、（ｂ）は図４（ａ）のＩＶｂ−ＩＶｂ線における接地電極の断面図である。 電極で挟まれたチップ及び接地電極の側面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態におけるスパークプラグ１０の片側断面図である。図１では、紙面下側をスパークプラグ１０の先端側、紙面上側をスパークプラグ１０の後端側という。スパークプラグ１０は、絶縁体１１、主体金具１６及び接地電極１７を備えている。

絶縁体１１は、機械的特性や高温下の絶縁性に優れるアルミナ等により形成された円筒状の部材であり、軸線Ｏに沿って貫通する軸孔１２が形成されている。軸孔１２の先端側に中心電極１３が配置される。

中心電極１３は、軸線Ｏに沿って延びる棒状の部材であり、銅または銅を主成分とする芯材がニッケル又はニッケル基合金で覆われている。中心電極１３は絶縁体１１に保持され、先端が軸孔１２から露出する。中心電極１３は、貴金属を含有するチップ１４が先端に接合されている。

端子金具１５は、高圧ケーブル（図示せず）が接続される棒状の部材であり、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成されている。端子金具１５は、先端側が軸孔１２に圧入された状態で、絶縁体１１の後端に固定されている。絶縁体１１の外周の先端側に、端子金具１５と軸線Ｏ方向に間隔をあけて、主体金具１６が加締め固定されている。

主体金具１６は、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成された略円筒状の部材である。主体金具１６の先端に接地電極１７が接合されている。接地電極１７は、接地電極１７の先端側に位置する第１部１８と、第１部１８の裏側の第２部１９とを有する棒状の金属製（例えばニッケル基合金製）の部材である。第１部１８に貴金属を含有するチップ２０が接合されている。本実施の形態では、接地電極１７は先端側が屈曲し、第１部１８が中心電極１３（チップ１４）と対向する。第１部１８に接合されたチップ２０は、中心電極１３（チップ１４）との間に火花ギャップを形成する。

スパークプラグ１０は、例えば、以下のような方法によって製造される。まず、予めチップ１４が先端に接合された中心電極１３を絶縁体１１の軸孔１２に挿入し、中心電極１３の先端が軸孔１２から外部に露出するように配置する。軸孔１２に端子金具１５を挿入し、端子金具１５と中心電極１３との導通を確保した後、予め接地電極１７が接合された主体金具１６を絶縁体１１の外周に組み付ける。接地電極１７の第１部１８にチップ２０を接合した後、チップ２０が中心電極１３（チップ１４）と対向するように接地電極１７を屈曲して、スパークプラグ１０を得る。

図２から図５を参照して接地電極１７にチップ２０を接合する方法を説明する。まず、図２から図４を参照してチップ２０が接合される前の接地電極１７について説明する。図２は主体金具１６及び接地電極１７の軸線Ｏを含む断面図である。図２は絶縁体１１に主体金具１６が組み付けられる前の状態であって、接地電極１７が屈曲される前の状態が図示されている。

図２に示すように主体金具１６に接合された接地電極１７及び主体金具１６は、表面にメッキ層２１が形成されている。メッキ層２１は、主に主体金具１６の耐食性を向上するための表面処理層であり、例えば亜鉛、クロメート処理された亜鉛、ニッケル等を主体とする。メッキ層２１は、接地電極１７が接合された主体金具１６にバレルメッキ処理を施して形成される。その結果、主体金具１６の表面だけでなく接地電極１７の表面にもメッキ層２１が形成される。接地電極１７に形成されたメッキ層２１の上にチップ２０を溶接すると、溶接不良の原因となり易い。そこで、少なくとも、チップ２０が溶接される予定の第１部１８（図１参照）のメッキ層２１が除去される。

図３（ａ）はメッキ層２１が除去された接地電極１７の断面図である。第１部１８を覆うメッキ層２１は、イオンエッチングやショットブラスト等の物理的な除去手段や、接地電極１７を剥離液に浸漬する化学的な除去手段によって部分的に除去される。これらの物理的・化学的な除去手段により、メッキ層２１と共に接地電極１７の下地（表面）の一部も除去される。

本実施の形態では、メッキ層２１で覆われた接地電極１７の先端側を剥離液（図示せず）に浸漬することにより、第１部１８、及び、第１部１８の裏側に位置する第２部１９（図１参照）を覆うメッキ層２１が除去される。これにより、第１部１８及び第２部１９のメッキ層２１を効率良く除去できると共に、剥離液によるエッチング効果により、第１部１８及び第２部１９を清浄化できる。

しかし、メッキ層２１が除去された第１部１８及び第２部１９は、ワーク毎に表面状態にばらつきがある。さらに、メッキ層２１を除去した後の洗浄・乾燥により、第１部１８及び第２部１９の表面が酸化されて第１部１８及び第２部１９に酸化膜（図示せず）が形成される。第１部１８及び第２部１９の表面状態のばらつきや酸化膜は、抵抗溶接の品質に影響を与える。

そこで、本実施の形態では、第１部１８及び第２部１９の表面状態のばらつきを抑制するために、メッキ層２１が除去された第１部１８及び第２部１９にレーザビーム２２を照射する。図３（ｂ）はレーザビーム２２が照射された接地電極１７の断面図である。図４（ａ）はレーザビーム２２が照射された接地電極１７（第１部１８）の拡大図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＩＶｂ−ＩＶｂ線における接地電極１７の断面図である。

なお、第１部１８及び第２部１９はいずれもメッキ層２１が除去された接地電極１７の一部であり、第１部１８と同様に、メッキ層２１が除去された第２部１９にもレーザビーム２２が照射されるので、第２部１９も第１部１８と同様の状態となる。よって、図３（ｂ）から図４（ｂ）では第１部１８を図示して説明し、第２部１９の説明は省略する。

図３（ｂ）に示すように、第１部１８にレーザビーム２２が照射されることにより、第１部１８の表面が部分的に溶融して液相が形成される。その液相が表面張力の作用によって流動した後、固化して縁部２３に対して凹んだ凹部２４が形成される。第１部１８に凹部２４を形成して第１部１８の表面状態を制御できるので、ワーク間の第１部１８の表面状態のばらつきを抑制できる。

また、レーザビーム２２によれば、砥石やブラシ等の研磨材を用いた機械的な研磨や研削に比べて、第１部１８へ入力するエネルギーを制御することにより、第１部１８の表面粗さを再現性良く制御できる。機械的な研磨や研削、化学研磨などに比べて加工時間を短縮できると共に、洗浄や乾燥などの後処理を不要にできる。また、砥石やブラシ等の研磨材を用いた機械的な研磨の場合には、研磨材が摩耗するので、研磨材の管理に工数を要するが、レーザビーム２２を用いることで、研磨材の管理を不要にできる。さらに、大気中で処理できることに加え、レーザビーム２２の照射により、第１部１８の表面を覆う酸化膜（図示せず）を溶融または昇華できるので、第１部１８を清浄化できる。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、本実施の形態では、パルス発振レーザのレーザビーム２２（図３（ｂ）参照）が第１部１８に照射される。レーザビーム２２は、連続曲線に沿って第１部１８を走査される。レーザの１つのパルスの持続時間と強度とによって、１つの縁部２３及び凹部２４が形成される。縁部２３及び凹部２４を複数連ねて第１部１８に複数の凹凸が形成される。

パルス発振レーザは、連続発振レーザに比べて溶融深度を小さくできるので、凹凸の大きさの制御が容易で、連続発振レーザに比べて再現性や安定性を向上できる。なお、１つの凹部２４の大きさは、第１部１８に接合されるチップ２０の面積より小さく設定される。本実施の形態では、１つの凹部２４の大きさは２０μｍ〜４０μｍに設定され、凹部２４の最大深さと縁部２３の最大高さとの差は１μｍ〜１０μｍ、好ましくは３μｍ〜７μｍに設定される。抵抗溶接のときのチップ２０との接触面を確保するためである。

次に、図５を参照して接地電極１７とチップ２０との抵抗溶接について説明する。図５は電極（第１電極３１及び第２電極３２）で挟まれたチップ２０及び接地電極１７の側面図である。

図５に示すように、絶縁体１１の外周に組み付けられた主体金具１６は、予め接地電極１７が接合されている。接地電極１７の第１部１８にチップ２０を重ね、接地電極１７の第２部１９とチップ２０とを第１電極３１及び第２電極３２で挟む。第１電極３１及び第２電極３２に圧力を加え、第１電極３１及び第２電極３２に電流を流すと、チップ２０と第１部１８との接触抵抗によってジュール熱が発生し、チップ２０と第１部１８とが互いに溶融し接合される。

レーザビーム２２（図３（ｂ）参照）が照射された第１部１８はワーク毎に表面状態のばらつきが抑制されており、溶融して固化した第１部１８の表面に形成される酸化膜（図示せず）をワーク間で同じような状態にできるので、チップ２０と第１部１８との接触抵抗を安定化できる。よって、チップ２０と第１部１８とが互いに溶融し接合される溶接部を均一にできる。

また、レーザビーム２２（図３（ｂ）参照）が照射された第１部１８は、縁部２３及び凹部２４による複数の凹凸が形成されており、１つの凹部２４の大きさはチップ２０の面積より小さいので、第１部１８にチップ２０を重ねると、複数の縁部２３がチップ２０に接触する。これに第１電極３１及び第２電極３２を通じて圧力を加えると、縁部２３が弾性変形ないしは塑性変形して所定の接触面が得られる。ここに第１電極３１及び第２電極３２から電流を通じると、接触面に電流が集中して流れる。接触面は他の部分に比べて抵抗が高いので、加熱されて軟化し、潰れて新しい接触面を生じる。新しい接触面に電流が流れ易くなるので、新しい接触面が加熱される。このように加熱しながら接触面を広げて溶接部が形成されるので、溶接の有効断面積を安定して確保することができ、第１部１８にチップ２０を再現性良く接合できる。

接地電極１７の第２部１９にもレーザビーム２２（図３（ｂ）参照）が照射されているので、第２部１９の表面状態のばらつきも小さくできる。その結果、第２部１９と第１電極３１との接触抵抗のばらつきを抑制できるので、第１部１８にチップ２０が接合される溶接部をより均一にできる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

上記実施の形態では、接地電極１７の第１部１８及び第２部１９にパルス発振レーザのレーザビーム２２を照射する場合について説明したが、必ずしもこれに限るものではない。例えば、パルス発振レーザに代えて、連続発振レーザのレーザビーム２２を接地電極１７に照射して接地電極１７の表面状態のばらつきを抑制することは当然可能である。連続発振レーザであっても、パルス発振レーザと同様に、接地電極１７の表面を溶融できるからである。

上記実施の形態では、接地電極１７の第１部１８及び第２部１９にレーザビーム２２を照射する場合について説明したが、必ずしもこれに限るものではない。レーザビーム２２に代えて、接地電極１７に電子ビームを照射することは当然可能である。加速させた電子（熱電子）を接地電極１７に衝突させて、レーザビーム２２と同様に、接地電極１７の表面を溶融できるからである。

上記実施の形態では、接地電極１７が接合された主体金具１６を絶縁体１１に取り付ける前に、接地電極１７に形成されたメッキ層２１の一部を除去する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。接地電極１７が接合された主体金具１６を絶縁体１１に取り付けた後に、接地電極１７に形成されたメッキ層２１の一部を除去することは当然可能である。

上記実施の形態では、接地電極１７の先端側を剥離液（図示せず）に浸漬して、接地電極１７を覆うメッキ層２１を化学的に除去する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。イオンエッチングやショットブラスト等の物理的な除去手段により、接地電極１７を覆うメッキ層２１の一部を除去することは当然可能である。

また、接地電極１７の全体をメッキ層２１で覆った後にメッキ層２１の一部を除去するのではなく、接地電極１７の先端部をゴムチューブ等で覆うマスキングを施すことは当然可能である。この場合には、マスキングにより接地電極１７の先端部がメッキ液と接触しないようにできるので、第１部１８や第２部１９を少なくとも除いて、接地電極１７の残りの部分にメッキ層２１が形成される。

上記実施の形態では、接地電極１７が接合された主体金具１６にバレルメッキ処理を施して主体金具１６及び接地電極１７にメッキ層２１が形成される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。接地電極１７が接合される前の主体金具１６にバレルメッキ処理等によってメッキ層２１を形成した後、メッキ層２１が形成されていない接地電極１７を主体金具１６に接合することは当然可能である。この場合には、接地電極１７に形成されたメッキ層２１を除去する作業を省略できる。

上記実施の形態では、接地電極１７の先端部（第１部１８及び第２部１９）を覆うメッキ層２１だけを除去する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。第１部１８と同一面上に存在するメッキ層２１を、主体金具１６の近くまで広範囲に除去することは当然可能である。特に、中心電極１３へ向けて接地電極１７が屈曲する部分を超えて、接地電極１７のメッキ層２１を除去することが好ましい。接地電極１７にメッキ層２１が形成された状態で接地電極１７を中心電極１３へ向けて屈曲させると、屈曲に伴いメッキ層２１の一部が剥離するおそれがある。そうすると、メッキ層２１の剥離した部分と中心電極１３との間で火花放電が生じ、着火性が低下する可能性がある。接地電極１７が屈曲する部分のメッキ層２１をなくすことで、これを抑制できるからである。

上記実施の形態では、接地電極１７の第１部１８にチップ２０を重ね、第２部１９を第１電極３１に接触させ、チップ２０を第２電極３２に接触させて第１電極３１及び第２電極３２に通電するダイレクト式の抵抗溶接の場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。

例えば、接地電極１７の第１部１８と同一面上に存在するメッキ層２１を主体金具１６の近くまで広範囲に除去する場合や、接地電極１７にメッキ層２１が形成されていない場合には、第１部１８と同一面の接地電極１７（メッキ層２１が存在しない部分）にレーザビーム２２や電子ビームを照射する。そして、接地電極１７の第１部１８にチップ２０を重ね、チップ２０を第２電極３２に接触させ、第１部１８と同一面の接地電極１７（レーザビーム２２や電子ビームを照射した部分）に第１電極３１を接触させて第１電極３１及び第２電極３２に通電するインダイレクト式の抵抗溶接を行うことが可能である。この場合には、接地電極１７の第１部１８の裏側に位置する第２部１９にレーザビーム２２や電子ビームを照射する必要はない。第２部１９は第１電極３１と接触しないからである。

上記実施の形態では、主体金具１６に接合された接地電極１７を屈曲させる場合について説明した。しかし、必ずしもこれに限られるものではない。屈曲した接地電極１７を用いる代わりに、直線状の接地電極を用いることは当然可能である。この場合には、主体金具１６の先端側を軸線Ｏ方向に延ばし、直線状の接地電極を主体金具１６に接合して、接地電極を中心電極１３と対向させる。

上記実施の形態では、チップ２０が中心電極１３と軸線Ｏ方向に対向するように接地電極１７を配置する場合について説明した。しかし、必ずしもこれに限られるものではなく、接地電極１７と中心電極１３との位置関係は適宜設定できる。接地電極１７と中心電極１３との他の位置関係としては、例えば、中心電極１３（チップ１４）の側面とチップ２０とが対向するように接地電極１７を配置すること等が挙げられる。この場合には、接地電極１７の端面に第１部１８を設け、その第１部１８にチップ２０を接合することが可能である。

１０ スパークプラグ
１７ 接地電極
１８ 第１部
１９ 第２部
２０ チップ
２１ メッキ層
２２ レーザビーム

Claims (1)

1. チップが溶接された接地電極を備えるスパークプラグを製造する製造方法であって、
   前記チップが溶接される予定の第１部を少なくとも除いてメッキ層が形成された前記接地電極を準備する準備工程と、
   前記準備工程後の前記接地電極の前記第１部にレーザビーム又は電子ビームを照射する照射工程と、
   前記照射工程後の前記接地電極の前記第１部に抵抗溶接により前記チップを接合する接合工程と、を備え、
   前記準備工程において準備される前記接地電極は、前記第１部の裏側に位置する第２部を少なくとも除いて前記メッキ層が形成されており、
   前記照射工程において、前記準備工程後の前記接地電極の前記第２部にレーザビーム又は電子ビームを照射することを特徴とするスパークプラグの製造方法。

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