JPH07118362B2 - 点火プラグ用電極の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、点火プラグ用電極の製造方法に関する。

内燃機関には、燃焼室内で燃料を点火するために点火プ
ラグが使用されている。従って、点火プラグの電極は高
熱や極端な腐蝕性雰囲気を受けやすい。点火プラグに或
る程度の寿命を与えるために、サイドワイヤ電極および
中心電極はニッケルのような耐腐蝕性材料のジャケット
で囲まれた銅のような良好な熱伝導性の材料で作られ
る。

点火プラグ用の銅電極やニッケル電極の製造は種々の方
法で達成されてきた。例えば、1974年４月16日に発行さ
れた「点火プラグの中心電極の製造方法」と称する米国
特許第3,803,892号は２つの材料の平板から銅電極とニ
ッケル電極を押出す方法を記載する。1941年11月４日に
発行された「点火プラグおよびその製造方法」と称する
米国特許第2,261,436号は、どのようにして銅やニッケ
ルを単一の長いワイヤに成形し、次いで点火プラグの電
極として使用するためのより短かい長さに切断する方法
を示している。1970年12月22日に発行された「点火プラ
グおよびこれ用の中心電極を製造する方法」と称する米
国特許第3,548,472号は、複数の工程によってニッケル
の外側カップ状スリーブを冷間成形し、次いで一本の銅
ワイヤをカップに挿入し、２つの材料を互に軽く圧する
方法を示している。

1974年12月31日に発行された「点火プラグの中心電極の
製造方法」と称する米国特許第3,857,145号は、銅中心
部材をニッケル部材に挿入し、電流の流路を確実に形成
するためにカラー部分によってニッケル部材に取付ける
方法を開示する。

上述した方法により製造された点火プラグ電極は、米国
で1977年のクリーンエアー法の実施の前に製造された車
両に使用した場合には申し分なく機能した。

1977年以降、エンジンおよび燃料の改良に伴って、ほと
んどの車両の作動温度が上昇した。エンジンおよび燃料
の変化の結果、エンジンにおける作動構成部品のいくつ
かは排ガスの腐蝕作用を受けがちであった。例えば、デ
ィストリビュータを設けていない点火装置では、１つお
きの点火プラグが逆極性で発火する。これにより、点火
プラグを正常極性または逆極性で点火させることが必要
とされるかにより、中心電極およびサイドワイヤ電極の
両方から隙間浸食が生じる。かくして、点火プラグ用の
ニッケル中心ワイヤ電極およびサイドワイヤ電極がほと
んどの酸化物に対して耐性であっても、燃焼／再循環ガ
スにさらされる燃焼温度での作動時間後には、腐蝕およ
び浸食が起る。浸食が一旦生じると、電流の流路が劣化
し、その結果、燃料効率が低くなる。

米国特許第4,705,486号及びフランス特許第1,435,473号
は、白金又は貴金属を電極に溶接する電極の製造方法を
開示する。例えば、米国特許第4,700,103号では、白金
ディスクをインコネル中心ワイヤの先端部に溶接する。
その後、中心ワイヤをダイに装入し、点火プラグに使用
した場合、通常の作動中、中心ワイヤと白金ディスクと
の間の電流の流路の劣化を防ぐために白金が溶接部を覆
うように最終の所望長さまで押出す。

電極の製造コストを低減するために、米国特許第4,725,
254号は下記のような製造方法を開示している。すなわ
ち、この方法によれば、銅心部を有するインコネル中心
ワイヤを所望の長さまで押出す。白金リボンを所望厚さ
まで圧延し、このリボンからディスクを打抜く。ディス
クは円筒フランジを有するカップ形状を有する。ディス
クおよび中心ワイヤを取付具に設置し、ディスクが先端
部を取囲むように互いに向けて移動させる。インコネル
中心ワイヤの先端部から白金ディスクまで電流を通す
と、アークが生じその結果、熱エネルギが発生する。電
流の流れは熱エネルギが先端部とディスクとの接合部で
インコネルを溶融させるのに十分になるまで続く。その
後、電流を止める。ディスクに対して維持される圧縮力
により、インコネルチップを端キャップと融合させ、冶
金的接合部を形成して電極の製造を完了する。

白金キャップを有する中心電極の製造方法は申し分な
く、車両の現在の作動要件を満たす。不運にも、白金の
コストにより、キャップのコストは点火プラグにおける
他の構成部品より高くなった。

電極用の白金のコストを低減するために、米国特許第4,
840,594号は、白金球体を、積重ねにより形成された環
状リップを介してではなくインコネル部材と白金球体と
の冶金的接合部により保持する方法を開示する。

この発明では、中心ワイヤ電極の先端部の軸方向中心お
よびサイドワイヤ電極の表面の中心を識別する。白色球
体を取付具に設け、中心ワイヤの軸方向中心をこの白金
球体の上に位置決めする。圧縮力および電流を同時に中
心にワイヤおよび球体に加える。電流が中心ワイヤと球
体との間を流れると、軸方向中心と球体との接合部に熱
エネルギが生じる。この熱エネルギにより中心ワイヤの
材料（インコネル）を溶融させ、重力により球体のまわ
りに流動させる。流体の少なくとも半分がインコネルの
リングで被覆されると、電流および圧縮力を停止する。

サイドワイヤを金属シェルに取付けた後、サイドワイヤ
の中心を白金球体の上に合わせ、圧縮力を加えながら電
流がサイドワイヤと球体との間を流れる。

サイドワイヤと球体との接合部に熱エネルギが生じ、そ
れによりサイドワイヤの材料を溶融させ、球体のまわり
に流動させる。サイドワイヤの球体の約半分が覆われる
と、圧縮力および電流を停止する。

その後、中心ワイヤを金属シェル内のセラミック部材に
設置する。サイドワイヤ電極および中心電極上の白金球
体間の一定の直線距離を設定する。この一定距離はこの
ようにして製造された点火プラグを車両のエンジンに長
時間作動した後もそのままである。

この電極製造方法における利点は、在来の点火プラグ以
上のコストの実質的上昇なしにインコネルワイヤの保護
を行うように最小の大きさを選択することができるよう
に白金部材の形状を正確に制御することができるという
点である。

本発明の目的は燃焼ガスにさらされることによって直線
隙間が影響を受けないように白金球体がインコネル電極
に冶金的に接合された中心電極および側電極を有する点
火プラグを製造する方法を提供することである。

本発明の他の目的は、白金球体をインコネル電極に溶接
し、この球体の一部を平らにして、エンジンで発生する
腐蝕性ガスにより引起される電極の浸蝕によっても実質
的に影響されない電流の流路を確保するように溶接部の
上に延びる保護表面を構成する、電極の製造方法を提供
することである。

これらの目的および他の目的はこの明細書を読み、図を
見ることにより明らかになるであろう。

第１図はインコネルワイヤの材料源から切断された円筒
形素材の図である。

第２図は第１端部に先端部、第２端部にくぼみを形成す
るように押出された第１図の円筒形素材の図である。

第３図はくぼみを更に押出工程により伸長した第２図の
素材の図である。

第４図はくぼみにより構成されたカップに挿入された銅
心部を有する第３図の素材の図である。

第５図は中心ワイヤを構成するために最終の所望長さま
で押出された第４図の素材の図である。

第６図は銅心部の中心に形成された横スロットを有する
第５図の中心ワイヤの図である。

第７図は第１端部の先端部を有する軸方向中心を示す第
６図の中心ワイヤの図である。

第８図は第７図の中心ワイヤの第１端部の先端部の拡大
断面図である。

第９図は先端部の軸方向中心を白金球体の上に位置決め
した状態で取付具に位置決めされた第７図の中心ワイヤ
の断面図である。

第10図は電流および圧力により中心ワイヤを溶融し、球
体の上に流動させた後の第９図の中心ワイヤと球体との
接合部の拡大図である。

第11図は第10図の11−11線における図である。

第12図は白金球体を平らにして第１端部の先端部のより
大きい領域を覆った中心電極の断面図である。

第13図は第12図の13−13線における図である。

第14図は中心電極の断面図である。

第15図は白球球体を冶金的に接合した側電極の断面図で
ある。

第16図はサイドワイヤ電極と中心ワイヤ電極との関係を
示す従来の点火プラグの拡大図である。

第17図は本発明の原理により製造されたサイドワイヤ電
極と中心ワイヤ電極との関係を示す点火プラグの拡大図
である。

点火プラグ用の電極を製造する方法は第１図に示す種々
の工程により示される。第１図はスプール又はロッドか
ら切断された直径約8.1mm×長さ5.1mm（約0.319インチ
×0.2インチ）の寸法を有する一本の耐蝕性金属ワイヤ
を示している。好適な金属ワイヤはインコネルとして一
般に知られているニッケルおよびクロムを含有する鉄の
耐蝕性合金である。ホスキンズ合金831（登録商標）と
して知られているかかるインコネル金属は、少なくとも
ニッケル75％、クロム15％および鉄７％を含有してい
る。

一本のインコネルワイヤ10をダイに装入する前に、この
ワイヤに標準冷間成形用潤滑剤を塗るべきである。この
ような潤滑剤はイオン、塩素および中性動物脂肪の添加
剤を含む極圧に耐える油である。このような潤滑剤は最
もしばしば加硫脂肪と塩素添加剤との組合せであり、多
くの潤滑剤製造業者から入手できる。ダイの摩耗を減じ
たり、良好な仕上げを促進したり、ダイでの加工片のす
り傷、ひっかき傷および焼付きを無くすために、潤滑は
冷間成形装置に不可欠である。冷間成形作業中、潤滑剤
のイオウおよび塩素成分は加工片のダイの溶着を防ぎ、
固形潤滑剤と同じように作用する硫化第一鉄および塩化
第一鉄を形成する。このような潤滑油の例としては、フ
ランクリンオイル社（オハイオ州）で作られているTUF
−DRAW21334（登録商標）がある。

ワイヤ10を第１図に示すように短い円筒状の素材に切断
し、潤滑した後、第１ダイに装入し、そこで第１端部12
および第２部14をまっすぐにして平らな表面を構成し、
端部12を押出して先端部を作り、一方、ヘッダー工具を
用いてくぼみ15を第２図に示すように端部14に形成す
る。

円筒形素材10を第２ダイまで搬送し、更に別のヘッダー
工具を用いて押出して第３図に示すようにくぼみ15から
延びる中心ボア16を形成する。

第４図に示すように銅コア18をボア16に挿入させた後、
円筒形素材10を第３ダイまで搬送し、第５図に示すよう
に所定の長さに更に押出して中心ワイヤ20を作る。中心
ワイヤ20はテーパ表面24と縁26とを持つ肩部22を有す
る。

中心ワイヤ20を第３ダイから取り出し、刻み28を銅コア
18の端面へ形成してその製造を終了するステーションま
で移送する。上記手順により製造された中心ワイヤ20を
第16図に示す種類の従来の点火プラグ32の磁器すなわち
セラミック体30に挿入する。この種類のワイヤ30はほと
んどの作動条件下で適切に働き、現在の自動車の寿命要
件を満たす。

更に、中心ワイヤ20を本発明の開示に従って第４ダイに
搬送し、そこで（第７図および第８図に示すように最終
品である中心ワイヤ80を得て）第１端部12の先端部の軸
方向中心34を識別して、中心出しをした。軸方向中心34
は通常、端12の表面の印であるが、くぼみであっても良
い。くぼみを先端部に形成する場合、このくぼみの直径
は他のステーションで冶金技術で接合される白金球体36
の直径Ｄの25％乃至40％を越えてはならない。かかるく
ぼみは球体36を実質的に中心ワイヤ80の軸方向中心に整
合させるのを助けるほかに、冶金的接合部を形成するた
めに電流のための大きな初期表面積を与えるのに役立
つ。

中心ワイヤ80を第９図に示すステーションまで搬送する
前に、中心ワイヤ80の第１端部12の少なくとも先端部を
洗浄ステーションに通し、そこでこの部分の油や酸化物
を除去し、それにより白金球体36との冶金的接合部を後
で形成することができる。

溶接装置のヘッド38に位置決めされる白金球体36は0.07
6cm（0.030インチ）の直径を有する。白金球体36の直径
は0.051cm（0.020インチ）以上0.127cm（0.050インチ）
未満が好ましい。しかしながら、市場価格の白金では、
下層のインコネルを保護するのに必要とされる白金の最
小量を選択すべきである。

第９図に示すステーションに位置決めされた溶接機は、
ワーレン、オハイオ州のタイラー・ウインフィールドコ
ーポレーションで販売されているモデルNo.EBA−1 1/2
（登録商標）として識別される最新式のものである。

中心電極80の端部12の先端部の軸方向中心34を白金球体
36の上に位置決めする。スイッチ42により、電源40から
の電極をヘッド38の接点43へ流し、白金球体36を通して
インコネル製の中心電極80へ流し、そしてアースに元
す。電流が流れているとき、圧縮力Ｆを中心電極80に及
ぼして軸方向中心34および球体36に機械的連結部を形成
する。

実験から下記の溶接パラメータが良好であるとわかっ
た。中心電極80に作用する圧縮力Ｆは約4.1〜11.3kg
（９〜25ポンド）間で変化しても良く、電流は500アン
ペアから1500アンペアまで変化しても良い。

機械的連結部すなわち接合部を横切る電流の流れは軸方
向中心34に隣接したインコネルを溶融するのに十分な熱
エネルギを生じる。重力により、溶融されたインコネル
は第10図に示すようにして流動し、球体36のまわりにリ
ング44を形成する。球体の少なくとも半分がインコネル
で被覆されると、スイッチ42により、電源40からの電流
の流れを遮断し、力Ｆを取り除く。球体のまわりのイン
コネルの流動により球体36の全表面積のほぼ２分の１に
等しい冶金的接合部を形成する。

第11図に最も良く示すように、球体36は電極80の端部12
の先端部の軸方向中心に位置決めされる。或る用途で
は、端部12の先端部の上の球体36の突出部は許容できる
が、ほとんどの一般用途では、先端部のより大きい領域
に突出部の表面積を増大させるのが望ましい。その結
果、その後に電極80をステーションまで搬送し、そこで
圧縮力を加えて第12図の断面図および第13図の端面図で
示すように球体36を平らにする。

第12図でわかるように、白金を平らにするために加えら
れた力、約1100kg（500ポンド）により、球体36がリン
グ44を端部12の表面との間にはさみ込む。ディスク46が
端部12の先端部の直径のほぼ２分の１を覆い、ドーム45
が中心電極80の軸方向中心に沿って形成されたくぼみを
完全に埋める。

第15図は平らな白金ディスク46を有する実際の中心ワイ
ヤ電極80の概略断面図である。ディスク46の直径はリン
グ44の保護を行うために先端部48の縁部を越えて延びて
いる。インコネルリング44が端部12の中へ押し込まれた
が、白金ディスク46は電流の流れのための一様な表面を
先端部に形成する。縁部47の白金ディスクの厚さは0.05
〜0.15mm（0.002〜0.06インチ）として測定され、ディ
スクの直径は1.27〜1.52mm（0.05〜0.06インチ）であっ
た。かくして、白金球体はその初め直径のほぼ２倍の表
面積範囲を備えることができることは明らかである。

その後、中心電極ワイヤ80を第17図に示すようにセラミ
ック絶縁体30に装着し、金属シェル60に固定した。

第14図に示すサイドワイヤ電極62の形成は白金球体をイ
ンコネル部材に溶接する同じ方法に従う。サイドワイヤ
62を金属シェル60に溶接し、その後、中心を白金球体36
の上に位置決めし、電流および圧力を同時に加える。熱
エネルギの発生により、インコネルリング64が球体36の
まわりに流動し、冶金的接合部を形成する。球体36の少
なくとも半分がインコネルで被覆されると、電流を停止
し、圧縮力を取除く。その後、ダイを球体と係合させ、
このダイにより球体36を平らにしてディスク72と、くぼ
み52を埋めるドーム73とを形成する。その後、中心ワイ
ヤ80を金属シェル60に位置決めされたセラミック部材30
に位置決めして点火プラグ82の製造を完了する。

点火プラグ82を評価するために、第16図に示す標準点火
プラグ32を作動750時間にわたって試験し、エンジンパ
ラメータを模擬した。試験を始める前に、側電極60の面
160と電極20の端部の先端部12との間の隙間「ｇ」をエ
ンジンの規格に従って設定した。試験期間の終了時に
は、燃焼ガスおよび作動により、サイドワイヤ61を破線
57で示すように浸蝕し、中心ワイヤを破線21で示すよう
に浸蝕した。わかるように、隙間は「ｇ」から「gx」へ
変化した。ほとんどの作動で、スパーク隙間のこの種の
変化は不満足であった。というのは、エンジンが設定作
動標準規格を合格しないからである。

第17図に示す点火プラグ82を点火プラグ32と同じ作動条
件下で試験した。白金が燃焼ガスにより影響されないの
で、サイドワイヤ62が破線84で示すように浸蝕され、中
心ワイヤ80が破線86で示すように浸蝕された作動期間の
終了時、ディスク表面46、72間の隙間「ｇ」は測定可能
な量変化しなかった。かくして、ここに開示する方法に
より製造された点火プラグ82は実質的に車両の寿命の
間、作動可能であるはずである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】材料源から１本の第１インコネルワイヤを
   切断して第１端部（12）および第２端部（14）を有する
   円筒形素材（10）を形成し、 上記円筒形素材（10）を第１ダイに装入し、上記第１ダ
   イが上記第１端部（12）に押出し先端部を形成し、 上記円筒形素材（10）を第２ダイに装入し、上記第２ダ
   イが上記第２端部（14）から上記第１端部（12）の方に
   延びる押出しカップ（16）を上記円筒形素材（10）に形
   成し、 銅コア（18）を上記カップ（16）に挿入し、 上記円筒形素材（10）および銅コア（18）をダイに装入
   して中心ワイヤ（80）の上記第１端部（12）と第２端部
   （14）との間が所定長さになるまで押出し、 上記中心ワイヤ（80）の上記先端部の軸方向中心（34）
   を位置決めし、 上記中心ワイヤ（80）の上記先端部を洗浄してそこにあ
   る汚染物を除去し、 材料源からの第１白金球体（36）をヘッド（38）に設
   け、 上記先端部の軸方向中心（34）を上記第１白金球体（3
   6）の上に位置決めし、 圧力を上記中心ワイヤ（80）に圧縮力を加えながら中心
   ワイヤ（80）および第１白金球体（36）に電流を加え、
   上記電流により軸方向中心（34）と第１白金球体（36）
   との接合部に熱エネルギを生じさせ、上記熱エネルギに
   より上記接合部の上記中心ワイヤ（80）の先端部のイン
   コネルを溶融させて、上記第１白金球体（36）のまわり
   にリング状突出部（44）を形成するように流動させ、 インコネルの上記リング状突出部（44）が上記第１白金
   球体（36）の表面のほぼ50％を被覆したときに電流およ
   び圧縮力を停止し、 上記中心ワイヤ（80）をダイに搬送し、そこで上記リン
   グ状突出部（44）を上記第１白金球体（36）と上記中心
   ワイヤ（80）の先端部との間にはさみ込み、上記第１白
   金球体（36）を上記リング状突出部（44）によって冶金
   的に接合されたドームを有する第１ディスク（46）とす
   る、ことからなる点火プラグ用電極の製造方法。
2. 【請求項２】上記先端部には、くぼみが軸方向中心（3
   4）に設けられ、該くぼみは第１白金球体（36）の直径
   との比が約1:4である深さを有する、請求項１に記載の
   方法。