JP6426566B2 - スパークプラグおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、スパークプラグおよびその製造方法に関する。

スパークプラグとしては、電極が消耗することに対する耐久性（耐消耗性）を高めるために、電極母材に電極チップが接合されたスパークプラグが知られている（例えば、特許文献１，２を参照）。このような電極チップは、火花放電や酸化に対する耐久性が電極母材よりも優れた材質から成る。電極チップの材質は、例えば、貴金属（例えば、白金、イリジウム、ルテニウム、ロジウムなど）、または、貴金属を主成分とする合金などである。電極チップと電極母材との間には、溶融部が形成されている。溶融部は、電極母材に電極チップを接合する際、レーザ溶接によって一旦溶融した電極母材および電極チップに由来する金属が凝固した部位（いわゆる、溶接ビード）である。

スパークプラグを内燃機関で使用した場合、電極チップと電極母材との間に形成された溶融部には、内燃機関の燃焼熱によって熱応力が発生する。そのため、電極チップと溶融部との境界、ならびに、電極母材と溶融部との境界には、クラック（ひび割れ）および酸化スケールが発生しやすい。これらの境界にクラックおよび酸化スケールの少なくとも一方が過度に進展した場合、電極チップが電極母材から剥離および脱落する可能性がある。そのため、電極母材に電極チップが接合されたスパークプラグには、電極チップの剥離および脱落に対する耐久性（耐剥離性）の向上が求められる。

特開２０１０−２３８４９８号公報 特開２０１０−２３８４９９号公報

特許文献１，２のスパークプラグでは、電極チップと電極母材との間に形成された溶接部に発生する熱応力を抑制することについて改善の余地があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現できる。

（１）本発明の一形態は、スパークプラグを提供する。このスパークプラグは、第１の電極と；前記第１の電極との間に間隙を形成する対向面を有する電極チップと、前記電極チップが接合された電極母材と、前記電極チップと前記電極母材との間に形成された溶融部と、を含む第２の電極とを備え、前記溶融部は、前記電極チップにおける前記対向面に対する裏側において、前記対向面の一端から他端に向かう面方向へと広がる形状を成し、前記面方向の一端側において最大の厚みをもって露出する。この形態のスパークプラグにおいて、前記電極チップは、前記対向面を構成する第１の金属層と；前記第１の金属層と前記電極母材との中間の線熱膨張率を有し、前記第１の金属層における前記対向面に対する裏面に配置される第２の金属層とを備え、前記電極チップと前記溶融部との間の溶融界面は、前記面方向の一端側に広がり、前記第１の金属層と前記溶融部とが隣接する第１の部分界面と；前記第１の部分界面より前記面方向の他端側に広がり、前記第２の金属層と前記溶融部とが隣接する第２の部分界面とを含む。この形態によれば、第２の部分界面を挟む部位において、第１の金属層から電極母材までの熱膨張特性の変化を、第２の金属層および溶融部によって緩やかに推移させることができる。これによって、面方向に広がる溶融部のうち溶融部の厚みを比較的に確保しにくい他端側において、第１の金属層と電極母材との間に発生する熱応力を抑制できる。したがって、電極チップの耐剥離性を向上させることができる。また、電極チップにおける面方向の一端側には第２の金属層ではなく第１の金属層が露出するため、第２の金属層が露出することによる電極チップの耐消耗性の低下を回避できる。

（２）上述のスパークプラグにおいて、前記第１の金属層は、白金（Ｐｔ）およびイリジウム（Ｉｒ）の少なくとも一方から主に成り、前記第２の金属層は、前記第１の金属層を構成する成分と前記電極母材を構成する成分とを含有する合金から主に成ってもよい。この形態によれば、第１の金属層によって電極チップの耐消耗性を十分に確保できるとともに、第２の金属層によって電極チップの耐剥離性を向上させることができる。

（３）上述のスパークプラグにおいて、前記溶融界面における前記面方向の一端側の端部での前記溶融部の厚みＡと、前記溶融界面における前記面方向の他端側の端部での前記溶融部の厚みＢとの関係は、０．７≦Ｂ／Ａ＜１．０を満たしてもよい。この形態によれば、面方向に広がる溶融部のうち他端側において、第１の金属層と電極母材との間に発生する熱応力を十分に抑制できる。

（４）上述のスパークプラグにおいて、前記溶融部は、前記第１の金属層から前記第２の金属層を通過し、前記電極チップの前記他端側の端面に対向する前記電極母材の面に到達してもよい。この形態によれば、溶融部が他端側において電極母材の面に到達しない場合と比較して、電極チップと電極母材とを接合する接合強度を向上させることができる。

（５）上述のスパークプラグにおいて、前記電極母材は、前記電極チップに隣接するとともに前記対向面と同じ方向を向いた母材面を有し、前記第２の金属層は、前記面方向に垂直な方向において前記母材面より前記対向面から離れた位置にあってもよい。この形態によれば、母材面より対向面側に第２の金属層が露出することによる電極チップの耐消耗性の低下を回避できる。

（６）上述のスパークプラグにおいて、前記第２の電極は、接地電極であると好ましい。この形態によれば、内燃機関の燃焼熱の影響を受けやすい接地電極において、電極チップの耐剥離性を向上させることができるため好ましい。

（７）本発明の一形態は、スパークプラグの製造方法を提供する。このスパークプラグは、第１の電極と；前記第１の電極との間に間隙を形成する対向面を有する電極チップと、前記電極チップが接合された電極母材と、前記電極チップと前記電極母材との間に形成された溶融部と、を含む第２の電極とを備え、前記溶融部は、前記電極チップにおける前記対向面に対する裏側において、前記対向面の一端から他端に向かう面方向へと広がる形状を成し、前記面方向の一端側において最大の厚みをもって露出する。この形態におけるスパークプラグの製造方法は、前記対向面を構成する第１の金属層における前記対向面に対する裏側に、前記第１の金属層と前記電極母材との中間の線熱膨張率を有する第２の金属層を熱圧着することによって、前記裏側において前記面方向の一端側より他端側に偏って前記第２の金属層が厚く存在する電極チップを作製し；前記第２の金属層が熱圧着された前記電極チップにおける前記対向面とは反対側のチップ裏面に対して前記面方向の一端側から他端側に向けてレーザを入射するレーザ溶接によって、前記電極チップと前記溶融部との間の溶融界面が、前記面方向の一端側に広がり、前記第１の金属層と前記溶融部とが隣接する第１の部分界面と、前記第１の部分界面より前記面方向の他端側に広がり、前記第２の金属層と前記溶融部とが隣接する第２の部分界面とを含むように前記溶融部を形成する。この形態によれば、電極母材に接合する前の電極チップにおいて、第１の金属層より溶融しやすい第２の金属層が他端側に偏って存在するため、レーザ溶接によって一端側から他端側へと溶融部を十分な厚みで形成できる。その結果、電極チップの耐剥離性および耐消耗性を両立させたスパークプラグを製造できる。

本発明は、スパークプラグおよびその製造方法以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、スパークプラグの電極、スパークプラグの製造装置、その製造装置を制御するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体などの形態で実現可能である。

スパークプラグの部分断面を示す説明図である。 接地電極の先端側の部分を示す説明図である。 スパークプラグの製造方法を示す工程図である。 製造途中にある接地電極を示す説明図である。 第１変形例における製造途中の接地電極を示す説明図である。 第２変形例における製造途中の接地電極を示す説明図である。 第３変形例における製造途中の接地電極を示す説明図である。 第４変形例における製造途中の接地電極を示す説明図である。 第５変形例における製造途中の接地電極を示す説明図である。 第６変形例における製造途中の接地電極を示す説明図である。 第７変形例における製造途中の接地電極を示す説明図である。 溶融部の形状と耐久性との関係を評価した結果を示すグラフである。 溶融部の形状と耐久性との関係を評価した結果を示すグラフである。 溶融部の形状と耐久性との関係を評価した結果を示すグラフである。

Ａ．実施形態
図１は、スパークプラグ１０の部分断面を示す説明図である。図１には、スパークプラグ１０の軸心である軸線ＡＬを境界として、軸線ＡＬより紙面左側にスパークプラグ１０の外観形状が図示され、軸線ＡＬより紙面右側にスパークプラグ１０の断面形状が図示されている。本実施形態の説明では、スパークプラグ１０における図１の紙面下側を「先端側」といい、図１の紙面上側を「後端側」という。

図１には、ＸＹＺ軸が図示されている。図１のＸＹＺ軸は、互いに直交する３つの空間軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を有する。本実施形態では、Ｚ軸は、スパークプラグ１０の軸線ＡＬに沿った軸である。Ｘ軸に沿ったＸ軸方向のうち、＋Ｘ軸方向は、紙面手前から紙面奥に向かう方向であり、−Ｘ軸方向は、＋Ｘ軸方向に対する逆方向である。Ｙ軸に沿ったＹ軸方向のうち、＋Ｙ軸方向は、紙面右側から紙面左側に向かう方向であり、−Ｙ軸方向は、＋Ｙ軸方向に対する逆方向である。Ｚ軸に沿ったＺ軸方向（軸線方向）のうち、＋Ｚ軸方向は、先端側から後端側に向かう方向であり、−Ｚ軸方向は、＋Ｚ軸方向に対する逆方向である。図１のＸＹＺ軸は、他の図におけるＸＹＺ軸に対応する。

スパークプラグ１０は、中心電極１００と、絶縁体２００と、主体金具３００と、接地電極４００とを備える。本実施形態では、スパークプラグ１０の軸線ＡＬは、中心電極１００、絶縁体２００および主体金具３００の各部材における軸心でもある。

スパークプラグ１０は、中心電極１００と接地電極４００との間に形成された間隙ＳＧを先端側に有する。スパークプラグ１０の間隙ＳＧは、火花ギャップとも呼ばれる。スパークプラグ１０は、間隙ＳＧが形成された先端側を燃焼室９２０の内壁９１０から突出させた状態で内燃機関９０に取り付け可能に構成されている。スパークプラグ１０を内燃機関９０に取り付けた状態で、中心電極１００に高電圧（例えば、１万〜３万ボルト）が印加された場合、間隙ＳＧに火花放電が発生する。燃焼室９２０における混合気は、間隙ＳＧに発生した火花放電によって着火する。

スパークプラグ１０の中心電極１００は、導電性を有する第１の電極である。中心電極１００は、軸線ＡＬを中心に延びた棒状を成す。本実施形態では、中心電極１００は、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするニッケル合金（例えば、インコネル６０１（「ＩＮＣＯＮＥＬ」は登録商標））から成る。本明細書の説明において、「主成分」とは、最も多く含まれている成分を意味する。中心電極１００の外側面は、絶縁体２００によって外部から電気的に絶縁されている。中心電極１００の先端側は、絶縁体２００の先端側から突出している。中心電極１００の後端側は、絶縁体２００の後端側へと電気的に接続されている。本実施形態では、中心電極１００の後端側は、端子金具１９０を介して絶縁体２００の後端側へと電気的に接続されている。

スパークプラグ１０の絶縁体２００は、電気絶縁性を有する碍子である。絶縁体２００は、軸線ＡＬを中心に延びた筒状を成す。本実施形態では、絶縁体２００は、絶縁性セラミックス材料（例えば、アルミナ）を焼成することによって作製される。絶縁体２００は、軸線ＡＬを中心に延びた貫通孔である軸孔２９０を有する。絶縁体２００の軸孔２９０には、中心電極１００を絶縁体２００の先端側から突出させた状態で、中心電極１００が軸線ＡＬ上に保持されている。

スパークプラグ１０の主体金具３００は、導電性を有する金属体である。主体金具３００は、軸線ＡＬを中心に延びた筒状を成す。本実施形態では、主体金具３００は、筒状に成形された低炭素鋼にニッケルめっきを施した部材である。他の実施形態では、主体金具３００は、亜鉛めっきを施した部材であっても良いし、めっきを施していない部材（無めっき）であっても良い。主体金具３００は、中心電極１００から電気的に絶縁された状態で絶縁体２００の外側面にカシメによって固定されている。主体金具３００の先端側には、端面３１０が形成されている。端面３１０の中央からは、中心電極１００と共に絶縁体２００が先端側に向けて突出している。端面３１０には、接地電極４００が接合されている。

スパークプラグ１０の接地電極４００は、導電性を有する第２の電極である。接地電極４００は、電極母材４１０と、電極チップ４５０とを有する。電極母材４１０は、主体金具３００の端面３１０から先端側に延びた後に軸線ＡＬに向けて屈曲した形状を成す。電極母材４１０の後端側は、主体金具３００に接合されている。電極母材４１０の先端側には、電極チップ４５０が接合されている。電極チップ４５０は、中心電極１００との間に間隙ＳＧを形成する。

図２は、接地電極４００の先端側の部分を示す説明図である。図２の上段には、＋Ｚ軸方向から見た接地電極４００の先端側の部分が図示されている。図２の下段には、上段の矢視Ｆ２−Ｆ２から見た接地電極４００の部分断面が図示されている。

接地電極４００の電極母材４１０は、母材面４１１，４１２，４１３，４１４，４１５を有する。電極母材４１０の母材面４１１は、＋Ｚ軸方向を向いた面である。母材面４１１は、電極チップ４５０に隣接する。電極母材４１０の母材面４１２は、−Ｚ軸方向を向いた面である。電極母材４１０の母材面４１３は、＋Ｘ軸方向を向いた面である。電極母材４１０の母材面４１４は、−Ｘ軸方向を向いた面である。電極母材４１０の母材面４１５は、＋Ｙ軸方向を向いた面である。本実施形態では、電極母材４１０の材質は、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするニッケル合金（例えば、インコネル６０１（「ＩＮＣＯＮＥＬ」は登録商標））から成る。

接地電極４００の電極チップ４５０は、中心電極１００との間に間隙ＳＧを形成する対向面４５１を有する。本実施形態では、対向面４５１は、電極母材４１０の母材面４１１より＋Ｚ軸方向側に位置する。本実施形態では、対向面４５１の形状は、正方形である。電極チップ４５０は、対向面４５１の他、端面４５５，４５６を有する。電極チップ４５０の端面４５５は、＋Ｙ軸方向を向いた面である。端面４５５は、対向面４５１の一端を構成する。電極チップ４５０の端面４５６は、−Ｙ軸方向を向いた面である。端面４５６は、対向面４５１の他端を構成する。

接地電極４００には、電極母材４１０と電極チップ４５０との間に溶融部４３０が形成されている。溶融部４３０は、電極母材４１０に電極チップ４５０を接合する際、レーザ溶接によって一旦溶融した電極母材４１０および電極チップ４５０に由来する金属が凝固した部位（いわゆる、溶接ビード）である。溶融部４３０は、電極母材４１０に由来する成分と、電極チップ４５０に由来する成分とを含有する。

溶融部４３０は、電極チップ４５０における対向面４５１に対する裏側（−Ｚ軸方向側）において、対向面４５１の一端（端面４５５）から他端（端面４５６）に向かう面方向（−Ｙ軸方向）へと広がる形状を成す。溶融部４３０は、面方向の一端側（＋Ｙ軸方向側）において最大の厚み（Ｚ軸方向の長さ）をもって露出する。本実施形態では、溶融部４３０は、電極チップ４５０における−Ｚ軸方向側の全域にわたって形成されている。図２の上段に示す破線は、溶融部４３０が形成されている範囲を示す。

接地電極４００の電極チップ４５０は、第１の金属層４６１と、第２の金属層４６２とを備える。電極チップ４５０は、第１の金属層４６１と第２の金属層４６２とを熱圧着によって接合したクラッド材である。電極チップ４５０における第１の金属層４６１は、対向面４５１を構成する。電極チップ４５０における第２の金属層４６２は、第１の金属層４６１における対向面４５１に対する裏面４６１ｂに配置されている。第２の金属層４６２は、第１の金属層４６１の裏面４６１ｂに対して原子間接合されている。第２の金属層４６２は、−Ｙ軸方向側に偏在する。

本実施形態では、溶融部４３０は、第１の金属層４６１から第２の金属層４６２を通過し、電極母材４１０の端面４１９に到達する。電極母材４１０の端面４１９は、電極チップ４５０の端面４５６に対向する面である。端面４１９は、電極チップ４５０に嵌まり合う溝を構成する面の１つである。他の実施形態では、溶融部４３０は、電極母材４１０の端面４１９に到達していなくてもよい。

本実施形態では、第２の金属層４６２は、Ｚ軸方向において母材面４１１より対向面４５１から離れた位置にある。言い換えると、第２の金属層４６２は、母材面４１１より−Ｚ軸方向側に位置する。他の実施形態では、第２の金属層４６２は、Ｚ軸方向において母材面４１１と同じ位置であってもよいし、母材面４１１より＋Ｚ軸方向側に位置してもよい。

図２の点Ｐは、電極チップ４５０の端面４５５と溶融部４３０とが接続する点である。図２の点Ｑは、第２の金属層４６２における＋Ｙ軸方向側の端部と溶融部４３０とが接続する点である。図２の点Ｒは、第２の金属層４６２における−Ｙ軸方向側の端部と溶融部４３０とが接続する点である。

点Ｐ，Ｑ，Ｒを繋ぐ溶融界面Ｐ−Ｑ−Ｒは、電極チップ４５０と溶融部４３０とが互いに接触している境界面である。電極チップ４５０と溶融部４３０との間の溶融界面Ｐ−Ｑ−Ｒは、第１の部分界面Ｐ−Ｑと、第２の部分界面Ｑ−Ｒとを含む。第１の部分界面Ｐ−Ｑは、＋Ｙ軸方向側に広がり、第１の金属層４６１と溶融部４３０とが隣接する境界面である。第２の部分界面Ｑ−Ｒは、第１の部分界面Ｐ−Ｑより−Ｙ軸方向側に広がり、第２の金属層４６２と溶融部４３０とが隣接する境界面である。

図２に示す電極チップ４５０の長さＬは、Ｙ軸方向における電極チップ４５０の長さである。図２に示す溶融部４３０の厚みＡは、溶融界面Ｐ−Ｑ−Ｒにおける一端側（＋Ｙ軸方向側）の端部における厚みであり、点Ｐから−Ｙ軸方向にＬ／１０の位置に引いたＺ軸に平行な仮想線が溶融部４３０と重なる長さを示す。図２に示す溶融部４３０の厚みＢは、溶融界面Ｐ−Ｑ−Ｒにおける他端側（−Ｙ軸方向側）の端部における厚みであり、点Ｒから＋Ｙ軸方向にＬ／１０の位置に引いたＺ軸に平行な仮想線が溶融部４３０と重なる長さを示す。厚みＡと厚みＢとの関係は、０．４≦Ｂ／Ａ＜１．０を満たすことが好ましく、０．７≦Ｂ／Ａ＜１．０を満たすことがいっそう好ましい。

本実施形態では、第１の金属層４６１の材質は、白金（Ｐｔ）を主成分とし、１０質量％のイリジウム（Ｉｒ）を含有する合金である。他の実施形態では、第１の金属層４６１の材質は、電極母材４１０より耐久性に優れた材質であればよく、純粋な貴金属（例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）など）であってもよいし、これらの貴金属を主成分とする他の合金であってもよい。

電極チップ４５０における第２の金属層４６２は、第１の金属層４６１と溶融部４３０との中間の線膨張率を有する。本実施形態では、第２の金属層４６２は、第１の金属層４６１を構成する成分と、電極母材４１０を構成する成分とを含有する合金から主に成る。本実施形態では、第２の金属層４６２の材質は、第１の金属層４６１を構成する成分である白金（Ｐｔ）を主成分とし、電極母材４１０を構成する成分であるニッケル（Ｎｉ）を２０質量％含有する合金である。他の実施形態では、第２の金属層４６２に含まれるニッケル（Ｎｉ）は、３０質量％であってもよいし、４０質量％であってもよい。第２の金属層４６２の材質は、電極母材４１０および第１の金属層４６１の各成分に限らず、第１の金属層４６１と溶融部４３０との中間の線膨張率を有する成分であればよい。

図３は、スパークプラグ１０の製造方法を示す工程図である。図４は、製造途中にある接地電極４００ｐを示す説明図である。つまり、接地電極４００ｐとは、電極母材４１０および電極チップ４５０は相互に接合されていない状態を示している。図４の上段には、＋Ｚ軸方向から見た接地電極４００ｐの先端側の部分が図示されている。図４の下段には、上段の矢視Ｆ４−Ｆ４から見た接地電極４００ｐの部分断面が図示されている。

スパークプラグ１０の製造工程において、スパークプラグ１０の製造者は、第１の金属層４６１における対向面４５１に対する裏側（−Ｚ軸方向側）に、第２の金属層４６２を熱圧着することによって、第１の金属層４６１の裏側において−Ｙ軸方向側に偏って第２の金属層４６２が厚く存在する電極チップ４５０を作製する（工程Ｐ１１０）。本実施形態では、電極チップ４５０は、正方形を成す対向面４５１を有する直方体を成す。本実施形態では、第１の金属層４６１は、正方形を成す対向面４５１を有し、対向面４５１に対する裏側のうち−Ｙ軸方向側を切り欠いた直方体を成す。本実施形態では、第２の金属層４６２は、第１の金属層４６１における切り欠いた部分に嵌まり合う直方体を成す。

電極チップ４５０を作製した後（工程Ｐ１１０）、製造者は、電極母材４１０の溝部４１８に嵌め込まれた電極チップ４５０におけるチップ裏面４５２に対して、チップ裏面４５２に沿ってレーザを照射するレーザ溶接によって、電極チップ４５０と溶融界面Ｐ−Ｑ−Ｒ（図２を参照）を構成する溶融部４３０を形成する（工程Ｐ１２０）。これによって、電極母材４１０と電極チップ４５０とが接合される。本実施形態では、レーザを照射する照射方向ＤＬは、−Ｙ軸方向である。他の実施形態では、照射方向ＤＬは、＋Ｚ軸方向に傾斜してもよいし、−Ｚ軸方向に傾斜してもよい。本実施形態では、レーザを走査する走査方向ＤＭは、＋Ｘ軸方向である。他の実施形態では、走査方向ＤＭは、−Ｘ軸方向であってもよい。

レーザ溶接によって電極母材４１０と電極チップ４５０とを接合した後（工程Ｐ１２０）、製造者は、各部材を組み付ける（工程Ｐ１８０）。これによって、スパークプラグ１０が完成する。

図５は、第１変形例における製造途中の接地電極４００Ｂｐを示す説明図である。第１変形例の接地電極４００Ｂｐは、電極母材４１０の端面４１９と電極チップ４５０の端面４５６との間に隙間ＧＰが形成されている点を除き、上述の実施形態と同様である。

図６は、第２変形例における製造途中の接地電極４００Ｃｐを示す説明図である。第２変形例の接地電極４００Ｃｐは、電極チップ４５０に代えて電極チップ４５０Ｃを電極母材４１０に接合する点を除き、上述の実施形態と同様である。電極チップ４５０Ｃは、ＹＺ平面で切断した断面において第２の金属層４６２が直角三角形を成す点を除き、上述の実施形態と同様である。第２の金属層４６２成す直角三角形において、短辺は端面４５６を構成し、斜辺は裏面４６１ｂを構成し、長辺はチップ裏面４５２を構成する。

図７は、第３変形例における製造途中の接地電極４００Ｄｐを示す説明図である。第３変形例の接地電極４００Ｄｐは、電極チップ４５０に代えて電極チップ４５０Ｄを電極母材４１０に接合する点を除き、上述の実施形態と同様である。電極チップ４５０Ｄは、ＹＺ平面で切断した断面において第２の金属層４６２が直角台形を成す点を除き、上述の実施形態と同様である。第２の金属層４６２が成す直角台形において、第１の辺は端面４５５を構成し、第２の辺は端面４５６を構成し、第３の辺は裏面４６１ｂを構成し、第４の辺はチップ裏面４５２を構成する。端面４５５を構成する第１の辺は、端面４５６を構成する第２の辺より短い。接地電極４００Ｄｐにおける第２の金属層４６２の部分うち、＋Ｙ軸方向側の部分は、溶融部４３０の形成に伴って消失する。

図８は、第４変形例における製造途中の接地電極４００Ｅｐを示す説明図である。第４変形例の接地電極４００Ｅｐは、電極チップ４５０に代えて電極チップ４５０Ｅを電極母材４１０に接合する点を除き、上述の実施形態と同様である。電極チップ４５０Ｅは、ＹＺ平面で切断した断面において裏面４６１ｂが曲線を成す点を除き、図６の第２変形例と同様である。

図９は、第５変形例における製造途中の接地電極４００Ｆｐを示す説明図である。第５変形例の接地電極４００Ｆｐは、電極チップ４５０に代えて電極チップ４５０Ｆを電極母材４１０に接合する点を除き、上述の実施形態と同様である。電極チップ４５０Ｆは、ＹＺ平面で切断した断面において裏面４６１ｂが階段状を成す点を除き、上述の実施形態と同様である。接地電極４００Ｆｐにおける第２の金属層４６２の部分うち、＋Ｙ軸方向側の部分は、溶融部４３０の形成に伴って消失する。

図１０は、第６変形例における製造途中の接地電極４００Ｇｐを示す説明図である。第６変形例の接地電極４００Ｇｐは、電極母材４１０に代えて電極母材４１０Ｇを備える点、ならびに、電極チップ４５０に代えて電極チップ４５０Ｇを備える点を除き、上述の実施形態と同様である。第６変形例の電極チップ４５０Ｇは、Ｙ軸方向を長手方向とする長方形の対向面４５１を有する直方体を成す点を除き、電極チップ４５０と同様である。第６変形例の電極母材４１０Ｇは、電極チップ４５０Ｇと嵌まり合うように構成されている点を除き、電極母材４１０と同様である。

図１１は、第７変形例における製造途中の接地電極４００Ｈｐを示す説明図である。第７変形例の接地電極４００Ｈｐは、電極母材４１０に代えて電極母材４１０Ｈを備える点、ならびに、電極チップ４５０に代えて電極チップ４５０Ｈを備える点を除き、上述の実施形態と同様である。第７変形例の電極チップ４５０Ｈは、円形の対向面４５１を有する円柱を成す点を除き、電極チップ４５０と同様である。第７変形例の電極母材４１０Ｈは、電極チップ４５０Ｈと嵌まり合うように構成されている点を除き、電極母材４１０と同様である。

図１２、図１３および図１４は、溶融部４３０の形状と耐久性との関係を評価した結果を示すグラフである。図１２の横軸は、溶融部４３０における一端側の厚みＡと他端側の厚みＢとの比Ｂ／Ａを示す。図１２の縦軸は、Ｙ軸方向における電極チップ４５０の長さＬ（図２を参照）に対する耐久試験後に確認されたクラックおよび酸化スケールの長さの割合である損傷割合を示す。図１３および図１４の各軸についても同様である。

試験者は、電極母材と電極チップとをレーザ溶接によって接合した電極を試料として作製した。試験者は、材質および形状が異なる複数の電極チップを用意した。試験者は、レーザ溶接の条件としてレーザ強度および加工速度を調整することによって、電極チップの仕様ごとに、比Ｂ／Ａが異なる複数の試料を作製した。試料の作製に用いた電極母材と電極チップとの組み合わせは、次のとおりである。

＜組合せＡ１（図１２）＞
・電極チップの形状：第２変形例（図６）に相当する正方形（１．８ｍｍ×１．８ｍｍ）の対向面を有する直方体
・第１の金属層の材質：白金（Ｐｔ）を主成分とし、１０質量％のイリジウム（Ｉｒ）を含有する合金
・第２の金属層の材質：白金（Ｐｔ）を主成分とし、２０質量％のニッケル（Ｎｉ）を含有する合金
・電極母材：インコネル６０１から成る角材
＜組合せＡ２（図１２）＞
・電極チップの形状：第２変形例（図６）に相当する正方形（１．３ｍｍ×１．３ｍｍ）の対向面を有する直方体
・第１の金属層の材質：白金（Ｐｔ）を主成分とし、１０質量％のイリジウム（Ｉｒ）を含有する合金
・第２の金属層の材質：白金（Ｐｔ）を主成分とし、２０質量％のニッケル（Ｎｉ）を含有する合金
・電極母材：インコネル６０１から成る角材

＜組合せＢ１（図１３）＞
・電極チップの形状：第２変形例（図６）に相当する正方形（１．３ｍｍ×１．３ｍｍ）の対向面を有する直方体
・第１の金属層の材質：白金（Ｐｔ）を主成分とし、１０質量％のルテニウム（Ｒｕ）を含有する合金
・第２の金属層の材質：白金（Ｐｔ）を主成分とし、２０質量％のニッケル（Ｎｉ）を含有する合金
・電極母材：インコネル６０１から成る角材
＜組合せＢ２（図１３）＞
・電極チップの形状：第２変形例（図６）に相当する断面を有し、第７変形例（図１１）に相当する円形（直径１．０ｍｍ）の対向面を有する円柱
・第１の金属層の材質：白金（Ｐｔ）を主成分とし、１０質量％のルテニウム（Ｒｕ）を含有する合金
・第２の金属層の材質：白金（Ｐｔ）を主成分とし、２０質量％のニッケル（Ｎｉ）を含有する合金
・電極母材：インコネル６０１から成る角材

＜組合せＣ１（図１４）＞
・電極チップの形状：第２変形例（図６）に相当する正方形（１．５ｍｍ×１．５ｍｍ）の対向面を有する直方体
・第１の金属層の材質：白金（Ｐｔ）を主成分とし、１０質量％のロジウム（Ｒｈ）を含有する合金
・第２の金属層の材質：白金（Ｐｔ）を主成分とし、２０質量％のニッケル（Ｎｉ）を含有する合金
・電極母材：インコネル６０１から成る角材
＜組合せＣ２（図１４）＞
・電極チップの形状：第２変形例（図６）に相当する断面を有し、第７変形例（図１１）に相当する円形（直径１．０ｍｍ）の対向面を有する円柱
・第１の金属層の材質：白金（Ｐｔ）を主成分とし、１０質量％のロジウム（Ｒｈ）を含有する合金
・第２の金属層の材質：白金（Ｐｔ）を主成分とし、２０質量％のニッケル（Ｎｉ）を含有する合金
・電極母材：インコネル６０１から成る角材

試験者は、各試料に対して、次の手順１，２を１０００回繰り返す冷熱サイクル試験を実施した。
（手順１）電極チップの最高温度が１０５０℃になるように、２分間、電極母材に接合された電極チップをバーナで加熱
（手順２）１分間、送風によって電極チップを冷却

試験者は、冷熱サイクル試験を終えた後、各試料をＸ軸方向の中央でＹＺ平面に沿って切断し、溶融部４３０の厚みＡ，Ｂを測定するとともに、溶融部４３０に発生したクラックおよび酸化スケールの長さを測定した。クラックおよび酸化スケールは、溶融部４３０の部位のうち−Ｙ軸方向側の部位に発生する傾向があった。

試料断面の各部を測定した後、試験者は、比Ｂ／Ａを算出するとともに、クラックおよび酸化スケールの長さに基づいて損傷割合を算出した。試験者は、レーザ溶接の条件ごとに、試料を２個ずつ評価し、比Ｂ／Ａおよび損傷割合の各平均値を算出した。これによって、試験者は、図１２、図１３および図１４に示す結果を得た。図１２、図１３および図１４において、白抜きの点は、溶融部４３０が電極母材４１０の端面４１９に到達せずに未貫通であった試料であることを示し、塗り潰した点は、溶融部４３０が電極母材４１０の端面４１９へと貫通した試料であることを示す。

図１２、図１３および図１４に示す結果によれば、溶融部４３０が電極母材４１０の端面４１９へと貫通することによって、損傷割合を低減できることが分かる。また、損傷割合を軽減する観点から、比Ｂ／Ａは、０．４≦Ｂ／Ａ＜１．０を満たすことが好ましく、０．７≦Ｂ／Ａ＜１．０を満たすことがいっそう好ましい。

以上説明した実施形態によれば、第２の部分界面Ｑ−Ｒを挟む部位において、第１の金属層４６１から電極母材４１０までの熱膨張特性の変化を、第２の金属層４６２および溶融部４３０によって緩やかに推移させることができる。これによって、面方向（Ｙ軸方向）に広がる溶融部４３０のうち溶融部４３０の厚みを比較的に確保しにくい他端側（−Ｙ軸方向側）において、第１の金属層４６１と電極母材４１０との間に発生する熱応力を抑制できる。したがって、電極チップ４５０の耐剥離性を向上させることができる。また、電極チップ４５０における面方向の一端側（＋Ｙ軸方向側）には第２の金属層４６２ではなく第１の金属層４６１が露出するため、第２の金属層４６２が露出することによる電極チップ４５０の耐消耗性の低下を回避できる。

また、第１の金属層４６１は、白金（Ｐｔ）から主に成り、第２の金属層４６２は、第１の金属層４６１を構成する成分と電極母材４１０を構成する成分とを含有する合金から主に成る。そのため、第１の金属層４６１によって電極チップ４５０の耐消耗性を十分に確保できるとともに、第２の金属層４６２によって電極チップ４５０の耐剥離性を向上させることができる。

また、溶融部４３０の厚みＡと厚みＢとの関係は、０．７≦Ｂ／Ａ＜１．０を満たすため、面方向（Ｙ軸方向）に広がる溶融部４３０のうち他端側（−Ｙ軸方向側）において、第１の金属層４６１と電極母材４１０との間に発生する熱応力を十分に抑制できる。

また、溶融部４３０は、第１の金属層４６１から第２の金属層４６２を通過し、電極母材４１０の端面４１９に到達するため、溶融部４３０が電極母材４１０の端面４１９に到達しない場合と比較して、電極チップ４５０と電極母材４１０とを接合する接合強度を向上させることができる。

また、第２の金属層４６２は、面方向に垂直な方向（Ｚ軸方向）において電極母材４１０の母材面４１１より対向面４５１から離れた位置にあるため、母材面４１１より対向面４５１側に第２の金属層４６２が露出することによる電極チップ４５０の耐消耗性の低下を回避できる。

また、電極母材４１０に接合する前の電極チップ４５０において、第１の金属層４６１より溶融しやすい第２の金属層４６２が他端側（−Ｙ軸方向側）に偏って存在するため、レーザ溶接によって一端側（＋Ｙ軸方向側）から他端側（−Ｙ軸方向側）へと溶融部４３０を十分な厚みで形成できる。その結果、電極チップ４５０の耐剥離性および耐消耗性を両立させたスパークプラグ１０を製造できる。

Ｂ．他の実施形態
本発明は、上述した実施形態、実施例および変形例に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、実施形態、実施例および変形例における技術的特徴のうち、発明の概要に記載した各形態における技術的特徴に対応するものは、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えおよび組み合わせを行うことが可能である。また、本明細書中に必須なものとして説明されていない技術的特徴については、適宜、削除することが可能である。

電極母材４１０に電極チップ４５０を接合するレーザ溶接は、電極母材４１０の母材面４１５側からレーザを照射する形態に限らず、電極母材４１０の母材面４１３側（＋Ｘ軸方向側）からレーザを照射する形態であってもよいし、電極母材４１０の母材面４１４側（−Ｘ軸方向側）からレーザを照射する形態であってもよい。

本発明は、上述した実施形態のように接地電極４００に適用する形態に限らず、電極チップを接合した中心電極１００に適用する形態であってもよいし、中心電極１００および接地電極４００の各電極に適用する形態であってもよい。

１０…スパークプラグ
９０…内燃機関
１００…中心電極
１９０…端子金具
２００…絶縁体
２９０…軸孔
３００…主体金具
３１０…端面
４００…接地電極
４００ｐ，４００Ｂｐ〜４００Ｈｐ…接地電極
４１０，４１０Ｇ，４１０Ｈ…電極母材
４１１，４１２，４１３，４１４，４１５…母材面
４１８…溝部
４１９…端面
４３０…溶融部
４５０，４５０Ｃ〜４５０Ｈ…電極チップ
４５１…対向面
４５２…チップ裏面
４５５，４５６…端面
４６１…第１の金属層
４６１ｂ…裏面
４６２…第２の金属層
９１０…内壁
９２０…燃焼室
Ｐ−Ｑ−Ｒ…溶融界面
Ｐ−Ｑ…第１の部分界面
Ｑ−Ｒ…第２の部分界面

Claims (7)

1. 第１の電極と、
   前記第１の電極との間に間隙を形成する対向面を有する電極チップと、前記電極チップが接合された電極母材と、前記電極チップと前記電極母材との間に形成された溶融部と、を含む第２の電極と
   を備え、
   前記溶融部は、前記電極チップにおける前記対向面に対する裏側において、前記対向面の一端から他端に向かう面方向へと広がる形状を成し、前記面方向の一端側において最大の厚みをもって露出する、スパークプラグであって、
   前記電極チップは、
   前記対向面を構成する第１の金属層と、
   前記第１の金属層と前記電極母材との中間の線熱膨張率を有し、前記第１の金属層における前記対向面に対する裏面に配置される第２の金属層と
   を備え、
   前記電極チップと前記溶融部との間の溶融界面は、
   前記面方向の一端側に広がり、前記第１の金属層と前記溶融部とが隣接する第１の部分界面と、
   前記第１の部分界面より前記面方向の他端側に広がり、前記第２の金属層と前記溶融部とが隣接する第２の部分界面と
   を含む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、
   前記第１の金属層は、白金（Ｐｔ）およびイリジウム（Ｉｒ）の少なくとも一方から主に成り、
   前記第２の金属層は、前記第１の金属層を構成する成分と前記電極母材を構成する成分とを含有する合金から主に成る、スパークプラグ。
3. 前記溶融界面における前記面方向の一端側の端部での前記溶融部の厚みＡと、前記溶融界面における前記面方向の他端側の端部での前記溶融部の厚みＢとの関係は、０．７≦Ｂ／Ａ＜１．０を満たす、請求項１または請求項２に記載のスパークプラグ。
4. 前記溶融部は、前記第１の金属層から前記第２の金属層を通過し、前記電極チップの前記他端側の端面に対向する前記電極母材の面に到達する、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のスパークプラグ。
5. 請求項１から請求項４まで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、前記電極チップに隣接するとともに前記対向面と同じ方向を向いた母材面を有し、
   前記第２の金属層は、前記面方向に垂直な方向において前記母材面より前記対向面から離れた位置にある、スパークプラグ。
6. 前記第２の電極は、接地電極である、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のスパークプラグ。
7. 第１の電極と、
   前記第１の電極との間に間隙を形成する対向面を有する電極チップと、前記電極チップが接合された電極母材と、前記電極チップと前記電極母材との間に形成された溶融部と、を含む第２の電極と
   を備え、
   前記溶融部は、前記電極チップにおける前記対向面に対する裏側において、前記対向面の一端から他端に向かう面方向へと広がる形状を成し、前記面方向の一端側において最大の厚みをもって露出する、スパークプラグを製造する、スパークプラグの製造方法であって、
   前記対向面を構成する第１の金属層における前記対向面に対する裏側に、前記第１の金属層と前記電極母材との中間の線熱膨張率を有する第２の金属層を熱圧着することによって、前記裏側において前記面方向の一端側より他端側に偏って前記第２の金属層が厚く存在する電極チップを作製し、
   前記第２の金属層が熱圧着された前記電極チップにおける前記対向面とは反対側のチップ裏面に対して前記面方向の一端側から他端側に向けてレーザを入射するレーザ溶接によって、前記電極チップと前記溶融部との間の溶融界面が、
   前記面方向の一端側に広がり、前記第１の金属層と前記溶融部とが隣接する第１の部分界面と、
   前記第１の部分界面より前記面方向の他端側に広がり、前記第２の金属層と前記溶融部とが隣接する第２の部分界面と
   を含むように前記溶融部を形成する、スパークプラグの製造方法。

Images