JP7074079B2 - 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、内燃機関用のスパークプラグの製造方法に関する。

内燃機関用のスパークプラグを製造するにあたり、中心電極母材又は接地電極母材に、貴金属等からなるチップを、レーザ溶接にて接合する工程がある。ここで、レーザ溶接を行う際には、レーザ光のエネルギが大きすぎる場合などにおいて、溶融金属が飛散したスパッタが発生することがある。このスパッタの発生を抑制する技術として、特許文献１には、レーザ光におけるエネルギ分布を均一に近づけることが提案されている。

特開２０１１－４４４４０号公報

しかしながら、近年の内燃機関の高効率化、高性能化等に伴い、さらなるスパッタの抑制が求められている。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、溶接時におけるスパッタ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、中心電極（２）と接地電極（３）との少なくとも一方が、電極母材（２０、３０）に接合されたチップ（４、５）を有す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、
上記チップを上記電極母材に接合するにあたっては、レーザ溶接を行い、
上記レーザ溶接に用いるレーザ光（Ｌ）は、方形結像ビームである、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の製造方法においては、上記レーザ溶接に用いるレーザ光が、方形結像ビームである。方形結像ビームは、その照射面の中におけるエネルギ密度を略均一にすることができる。それゆえ、電極母材とチップとの接合部付近におけるレーザ光の照射領域の中で、局部的にエネルギ密度の大きい部分が生じることを防ぐことができる。その結果、レーザ溶接の際において、スパッタが発生することを抑制することができる。

以上のごとく、上記態様によれば、溶接時におけるスパッタ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。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、スパークプラグの先端部の側面図。 実施形態１における、レーザ溶接前の中心電極の電極母材とチップの断面説明図。 実施形態１における、中心電極の電極母材とチップとをレーザ溶接する様子を示す断面説明図。 実施形態１における、レーザ溶接後の中心電極の断面説明図。 実施形態１における、未溶融部を残したレーザ溶接後の中心電極の断面説明図。 （ａ）方形結像ビームの結像形状の説明図、（ｂ）ガウシアン集光ビームの結像形状の説明図。 方形結像ビームのエネルギ分布と、ガウシアン集光ビームのエネルギ分布を示す、線図。 実施形態１における、レーザ光照射装置の断面説明図。 実施形態１における、光ファイバーの断面説明図であって、図８のIX－IX線矢視断面説明図。 実施形態１における、光ファイバーの長手方向から見た、コア内を伝搬するレーザ光の説明図。 実験例における、試験方法の説明図。 実験例における、試験結果の線図。 実験例における、ガウシアン集光ビームにて溶接した溶融凝固部の外観写真。 実験例における、方形結像ビームにて溶接した溶融凝固部の外観写真。 実験例における、方形結像ビームを照射したレーザーアライメントペーパーの外観写真。

（実施形態１）
内燃機関用のスパークプラグの製造方法に係る実施形態について、図１～図１０を参照して説明する。
本形態の製造方法は、内燃機関用のスパークプラグ１を製造する方法である。対象となるスパークプラグ１は、図１に示すごとく、中心電極２と接地電極３との少なくとも一方が、チップ４、５を有するものである。チップ４、５は、電極母材２０、３０に接合されている。
チップ４、５を電極母材２０、３０に接合するにあたっては、レーザ溶接を行う。そして、レーザ溶接に用いるレーザ光は、方形結像ビームである。

図１には、スパークプラグ１の先端部付近の拡大側面図を示す。同図においては、中心電極２と接地電極３との双方が、チップ４とチップ５とをそれぞれ有する形態を示す。ただし、中心電極２と接地電極３とのうち、いずれか一方にのみ、チップを設けた形態とすることもできる。

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１４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１４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１４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を備える。この対向面３１に、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、チップ４が接合されている。本例において、チップ４、５は、例えば、イリジウム合金、白金合金等の貴金属チップからなる。

中心電極２の電極母材２０へのチップ４の接合は、ハウジング１４への電極母材２０の組付け前に行う。また、接地電極３の電極母材３０へのチップ５の接合は、電極母材３０を屈曲させる前の状態にて行う。

中心電極２の電極母材２０にチップ４を接合する方法の一例につき、図２、図３を用いて説明する。
まず、図２に示すごとく、電極母材２０の先端面２１にチップ４を配置する。電極母材２０は、先端部が略円錐形状を有し、その先端側に、プラグ軸方向に直交する平坦面である先端面２１を有する。また、チップ４は、円柱形状を有する。円柱形状のチップ４の一方の底面を、電極母材２０の先端面２１に当接させた状態とする。ここで、電極母材２０に対してチップ４を、抵抗溶接によって仮接合する。

次いで、図３に示すごとく、電極母材２０とチップ４とに対し、その接合部１１の周囲から、レーザ光Ｌを照射して、レーザ溶接を行う。レーザ光Ｌは、接合部１１の全周にわたる方向から照射する。レーザ溶接は、パルス溶接とすることもでき、ＣＷ溶接（すなわち連続発振溶接）とすることもできる。これにより、電極母材２０の一部とチップ４の一部とを、接合部１１の全周にわたり溶融させる。そして、その溶融部が冷却されることにより、図４に示すごとく、電極母材２０の一部とチップ４の一部とが溶け合って凝固した溶融凝固部１２が、接合部１１の周囲に環状に形成される。溶融凝固部１２は、図４に示すごとく、接合部１１の全体を含むように形成することもでき、図５に示すごとく、接合部１１の一部が未溶融部として内側に残るように形成することもできる。

このレーザ溶接のレーザ光Ｌとして、方形結像ビームを用いる。
方形結像ビームは、光軸に直交する平面への結像形状が、図６（ａ）に示すごとく、方形形状となるレーザ光である。なお、以下において、「光軸に直交する平面への結像形状」を単に「結像形状」ともいう。方形結像ビームは、図７の実線Ｔに示すごとく、集光パターンがトップハット型を有する。すなわち、方形結像ビームは、結像させた領域においてエネルギ密度が略均一となる。同図において、縦軸が、レーザ光の結像領域の中心からの距離を示し、横軸がエネルギ密度を示す。

一般的なレーザ光は、図７の破線Ｇに示すごとく、ガウス型強度分布を有するガウシアン集光ビームである。このガウシアン集光ビームは、図６（ｂ）に示すごとく、結像形状が略円形状となり、結像領域における中心部と、結像領域の外周部との間に、エネルギ密度の差が大きく生じる。図６（ｂ）は、そのエネルギ密度の差のイメージを、ハッチングの濃淡にて示した。ただし、同図はあくまでも便宜的なイメージ図であり、エネルギ密度は段階的に変化するわけではなく、連続的に変化する。

方形結像ビームは、光軸に直交する平面への結像形状である四角形状の一辺が、チップ４の軸方向に直交する方向に沿うように、電極母材２０の一部とチップ４の一部とに照射する。

方形結像ビームは、結像形状が正方形状であることが、後述のように、スパッタ抑制の点において理想である。そして、方形結像ビームの結像形状は、正方形に近いほど望ましい。方形結像ビームは、結像形状のアスペクト比をＫとしたとき、０．７≦Ｋ≦１．３を満たすことが好ましい。また、０．９≦Ｋ≦１．１を満たすことが、さらに好ましい。ここで、アスペクト比Ｋは、図６（ａ）に示すごとく、結像形状において、チップ４の軸方向に沿った辺の長さａに対するチップ４の軸方向に直交する方向に沿った辺ｂの長さの比とする。

方形結像ビームは、図８、図９に示すごとく、長手方向に直交する断面形状が四角形状のコアを有する光ファイバー６１を備えたレーザ光照射装置６を用いて、電極母材２０とチップ４との接合部１１に照射する。すなわち、レーザ溶接に用いるレーザ光Ｌを出射するレーザ光照射装置６は、図８に示すごとく、光ファイバー６１と、複数のレンズ６２１、６２２と、保護ガラス６３とを有する。複数のレンズとしては、光ファイバー６１から出射した光を平行光に変換するコリメートレンズ６２１と、コリメートレンズ６２１から出射した平行光を集光させる集光レンズ６２２とを有する。

そして、図９に示すごとく、光ファイバー６１は、その長手方向に直交する断面形状が四角形状のコア６１１を有する。光ファイバー６１に関して、「長手方向に直交する断面」を、以下において、単に「断面」ともいう。光ファイバー６１は、その断面において、コア６１１とその外側のクラッド６１２との境界の形状が、四角形状である。

この光ファイバー６１のコア６１１の断面の形状が、当該光ファイバー６１から出射した方形結像ビームの結像形状（図６（ａ）参照）と、略一致する。したがって、光ファイバー６１のコア６１１の断面の形状は、正方形状であることが理想であり、これに近い形であるほど、望ましい。そして、光ファイバー６１の長手方向に直交する断面における、コア６１１の形状は、正方形状もしくは、長辺に対する短辺の長さの比ｋが、０．７≦ｋ＜１．０を満たす長方形状であることが好ましい。また、光ファイバー６１の長手方向に直交する断面における、コア６１１の形状は、正方形状もしくは、長辺に対する短辺の長さの比ｋが、０．９≦ｋ＜１．０を満たす長方形状であることが更に好ましい。

また、レーザ光照射装置６から出射したレーザ光Ｌは、溶接箇所、すなわち、電極母材２０とチップ４との接合部１１において結像するように、その焦点距離を合わせる。つまり、レーザ光Ｌの焦点位置が、接合部１１となるように、レーザ光照射装置６と接合部１１との位置関係を調整する。これにより、方形結像ビームの特性を効果的に利用し、効率的なレーザ溶接を行うことができる。

また、接地電極３においても、中心電極２におけるレーザ溶接と同様の方法にて、電極母材３０とチップ５とを溶接することができる。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
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、レーザ溶接に用いるレーザ光Ｌが、方形結像ビームである。方形結像ビームは、その照射面の中におけるエネルギ密度を略均一にすることができる。それゆえ、電極母材２０、３０とチップ４、５との接合部１１近におけるレーザ光Ｌの照射領域の中で、局部的にエネルギ密度の大きい部分が生じることを防ぐことができる。その結果、レーザ溶接の際において、スパッタが発生することを抑制することができる。

つまり、スパッタの発生要因としては、レーザ光Ｌのエネルギ密度が局部的に大きくなりすぎて、金属が突沸等することにより、生じると考えられる。例えば、ガウシアン集光ビームをレーザ溶接に用いると、どうしても、エネルギ密度が局部的に大きくなりやすく、スパッタの発生を抑制することが困難となりやすい。つまり、所定の範囲にレーザ光を照射して、電極母材とチップとを所定の深さ分溶融させようとすると、その溶融深さに必要なエネルギ密度（図７のＥ１参照）を、ある程度の幅をもって照射す必要がある。そうすると、照射するガウシアン集光ビームのエネルギ密度のピーク値、すなわち光軸上のエネルギ密度Ｅｐは、必要なエネルギ密度Ｅ１を大きく超えるエネルギ密度を持つこととなる。この場合、レーザ光の中心部分が照射された部位は、必要以上に溶融し、場合によっては突沸することが懸念される。その結果、レーザ溶接時において、溶融金属のスパッタが生じるおそれが懸念される。

そこで、レーザ溶接に方形結像ビームを用いることで、適切な範囲に充分なエネルギを与える一方、エネルギ密度が局部的に過大となることを抑制することができる。その結果、レーザ溶接の際のスパッタの発生を抑制することができる。

方形結像ビームは、結像形状である四角形状の一辺が、チップ４（５）の軸方向に直交する方向に沿うように、電極母材２０（３０）の一部とチップ４（５）の一部とに照射する。これにより、接合部１１において効率的かつより均一に、溶融凝固部１２を形成することができる。

また、レーザ光照射装置６は、長手方向に直交する断面形状が四角形状のコア６１１を有する光ファイバー６１を備えている（図９参照）。これにより、レーザ光照射装置６から、方形結像ビームを容易かつ正確に出射させることができる。すなわち、断面が四角形状のコア６１１を有する光ファイバー６１を伝搬するレーザ光Ｌは、図１０に示すごとく、光ファイバー６１の中心に光が集中することがなく、全体にわたり略均一に伝搬する。それゆえ、レーザ光照射装置６から出射したレーザ光Ｌも、略均一のエネルギ密度をもつこととなる。その結果、結像領域の全体において、エネルギ密度のバラツキを抑制することができる。

以上のごとく、本形態によれば、溶接時におけるスパッタ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。

（実験例）
本例においては、図１１、図１２に示すごとく、実施形態１にて示した、内燃機関用のスパークプラグの製造方法による作用効果を確認した。
つまり、実施形態１において示した方形結像ビームを用いたレーザ溶接を行った場合と、ガウシアン集光ビームを用いたレーザ溶接を行った場合とにおいて、スパッタの発生度合を比較した。

また、方形結像ビームのアスペクト比Ｋも、０．５～１．４の間にて種々変更して、試験を行った。ここで、結像の面積は、同一面積となるようにした。
まず、図１１に示すごとく、電極母材２０にチップ４を配置した状態の試料を、その先端側と外周側を覆うような試験容器７内に配置する。試験容器７は、試料の先端側に配される天井壁７１と試料の外周に配される円筒状の外周壁７２とを有する。外周壁７２の一部に、レーザ光Ｌを透過させるための窓部７２１が設けてある。天井壁７１とチップ４との間の距離、外周壁７２とチップ４との間の距離は、いずれも５０ｍｍとした。

そして、窓部７２１を介して、レーザ光Ｌを電極母材２０とチップ４との接合部１１に照射する。
このとき照射するレーザ光Ｌを、上述のように、種々変更した。ここで、条件を揃えるために、いずれの場合も、焦点位置を試料の位置に合わせたジャストフォーカスの状態にした。また、照射するレーザ光の全体のエネルギは同一とした。また、試料を所定角度ずつ回転させながら照射位置を徐々にずらし、複数回のパルス溶接を行うことで、チップ４の全周にわたり、電極母材２０とチップ４とを溶融させた。そして、図４のように、接合部１１の全体を含むように溶融凝固部１２が形成され、未溶融部が生じないように、溶接を行った。

なお、チップ４は、直径が０．５５ｍｍの略円柱形状のイリジウムからなるものとした。また、電極母材２０は、インコネル（登録商標）６００とした。また、照射するレーザ光の波長は１０６４ｎｍとし、そのエネルギは図７に示したとおりである。

そして、溶接時において、溶融金属のスパッタがどの程度生じたかを、上述の試験容器７の内面（すなわち、天井壁７１の下面及び外周壁７２の内側面）に付着した金属スパッタの個数（以下においてスパッタ個数という。）をカウントすることで、評価した。カウントしたスパッタは、直径が約０．０２ｍｍ以上のものとした。なお、この実験は、一水準につき１０回、すなわちＮ数を１０として、その平均値にて評価した。その結果を、図１２に示す。

同図において、横軸が、方形結像ビームの結像形状のアスペクト比Ｋを示す。縦軸が、スパッタ個数を示す。なお、経験上、この試験において、スパッタ個数が２０個以下であれば、スパッタに起因する不良は充分に防ぐことができる。スパッタに起因する不良としては、例えば、スパッタが電極に付着して電極の耐熱特性に影響を及ぼしたり、レーザ溶接装置の保護ガラスに付着して溶接不良の原因となったりする等が想定される。

そして、同図において、各プロットが、各アスペクト比Ｋの結像形状を有する方形結像ビームにて溶接した場合のスパッタ個数の結果を示す。また、実線Ｇにて示す、６０個が、ガウシアン集光ビームにて溶接した場合のスパッタ個数である。

同図から分かるように、方形結像ビームにて溶接した場合には、ガウシアン集光ビームにて溶接した場合に比べて、いずれも、スパッタ発生を抑制できることが確認できた。
また、方形結像ビームの中でも、結像形状のアスペクト比Ｋが、０．７≦Ｋ≦１．３を満たすものは、スパッタ個数を２０個未満に抑制できている。それゆえ、０．７≦Ｋ≦１．３とすることで、上述のように、スパッタ不良を充分に防ぐことができると考えられる。

さらに、結像形状のアスペクト比Ｋが、０．９≦Ｋ≦１．１を満たすものは、スパッタ個数を５個以下に抑制できている。それゆえ、０．９≦Ｋ≦１．１とすることで、スパッタ不良をより確実に防ぐことができると考えられる。

なお、図１３に、ガウシアン集光ビームによるレーザ溶接にて得られた溶融凝固部の外観写真を示す。同図には、溶融凝固部の一部に、略円形状のレーザ照射の跡が、周囲と異なる光反射状態にて、確認することができる。これは、複数のパルス溶接のうちの最後のレーザ光（すなわちガウシアン集光ビーム）照射にて形成されたものである。

一方、図１４に、アスペクト比Ｋが１．０の方形結像ビームによるレーザ溶接にて得られた溶融凝固部の外観写真を示す。同図には、溶融凝固部の一部に、略正方形状のレーザ照射の跡が、周囲と異なる光反射状態にて、確認することができる。これも、複数のパルス溶接のうちの最後のレーザ光（すなわち方形結像ビーム）照射にて形成されたものである。当該部分は、図１４のＣｘにて示す周方向範囲とＣｙにて示す軸方向範囲とが重なる領域に確認できる。

また、図１５の写真は、アスペクト比Ｋが１．０の方形結像ビームを、その光軸に直交する方に配置したレーザーアライメントペーパーに照射することにより形成された結像の跡である。同図から分かるように、略正方形状の範囲に、略均一な変色部が形成されている。これにより、略正方形状の結像形状が略均一なエネルギ密度分布にて得られることが確認できる。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

１ 内燃機関用のスパークプラグ
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、５ チップ
Ｌ レーザ光

Claims (7)

1. 中心電極（２）と接地電極（３）との少なくとも一方が、電極母材（２０、３０）に接合されたチップ（４、５）を有す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、
   上記チップを上記電極母材に接合するにあたっては、レーザ溶接を行い、
   上記レーザ溶接に用いるレーザ光（Ｌ）は、方形結像ビームである、内燃機関用のスパークプラグの製造方法。
2. 上記方形結像ビームは、光軸に直交する平面への結像形状である四角形状の一辺が、上記チップの軸方向に直交する方向に沿うように、上記電極母材の一部と上記チップの一部とに照射する、請求項１に記載の内燃機関用のスパークプラグの製造方法。
3. 上記方形結像ビームは、光軸に直交する平面への結像形状のアスペクト比であって、上記チップの軸方向に沿った辺の長さ（ａ）に対する上記チップの軸方向に直交する方向に沿った辺の長さ（ｂ）の比をＫとしたとき、０．７≦Ｋ≦１．３を満たす、請求項２に記載の内燃機関用のスパークプラグの製造方法。
4. ０．９≦Ｋ≦１．１を満たす、請求項３に記載の内燃機関用のスパークプラグの製造方法。
5. 上記方形結像ビームは、長手方向に直交する断面形状が四角形状のコア（６１１）を有する光ファイバー（６１）を備えたレーザ光照射装置（６）を用いて、上記電極母材と上記チップとの接合部に照射する、請求項１に記載の内燃機関用のスパークプラグの製造方法。
6. 上記光ファイバーの長手方向に直交する断面における、上記コアの形状は、正方形状もしくは、長辺に対する短辺の長さの比ｋが、０．７≦ｋ＜１．０を満たす長方形状である、請求項５に記載の内燃機関用のスパークプラグの製造方法。
7. 上記光ファイバーの長手方向に直交する断面における、上記コアの形状は、正方形状もしくは、長辺に対する短辺の長さの比ｋが、０．９≦ｋ＜１．０を満たす長方形状である、請求項６に記載の内燃機関用のスパークプラグの製造方法。

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