JPH0636856A - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 Ｎｉ合金からなる中心電極の先端面に体積の
小さい貴金属チップを変形させずにレーザー溶接するた
めに、貴金属チップの剥離が防止でき、着火性に優れた
スパークプラグの提供。 【構成】 貴金属チップ６は、該貴金属チップとほぼ同
径の中心電極４の直棒径小部４Ａに全周に渡ってレーザ
ー溶接され、溶融凝固合金部７を設けて中心電極に接合
され、前記貴金属チップの直径をD,厚さをT,中心電極の
先端径小部の長さをL,溶解凝固合金層の溶け込み深さを
A,前記貴金属チップの半径をR,中心電極の外周面での溶
融凝固合金部の幅をB としたとき0.5mm ≦D ≦1.5mm 、
0.3mm≦T ≦0.6mm0.2mm ≦L ≦0.5mm 、 R/3 ≦A ≦R 、
0.3mm≦B≦0.8mmを満足し、レーザービームによる照射
面７１は重なりあって接合され、照射面の上端Ｌ１は、
貴金属チップの端面６１より少なくとも０．１ｍｍ以上
離れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、中心電極の先端に貴
金属チップを溶接したスパークプラグに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】スパークプラグの中心電極にはニッケル
（Ｎｉ）を主体とする耐蝕、耐熱金属からなる母材に銅
（Ｃｕ）など良熱伝導性金属の芯を埋設した複合材が用
いられ、火花消耗を低減させ耐久性をさらに向上させる
目的で、先端に貴金属チップを溶接し、その手段として
母材の先端に貴金属チップを抵抗溶接した後、母材先端
部に切削加工を施したスパークプラグが提案されている
（特公昭５９−２１５２号公報）。また、この母材先端
に貴金属チップ挿入用の穴を設け、貴金属チップを挿入
した後に母材を通じて貴金属層をレーザー溶接したスパ
ークプラグが提案されている（特公昭６３−５７９１９
号公報）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、貴金属チップ
を中心電極先端に抵抗溶接すると、抵抗溶接時の加熱、
加圧によって貴金属チップのエッジが丸みを帯びるよう
に変形してしまい、放電電圧が高くなってしまう。この
ため、中心電極先端部を切削加工すると、貴金属部分ま
で切削してしまうこととなり、高価な貴金属を有効に利
用することが出来なかった。また、母材の先端の穴に貴
金属チップを挿入し、レーザー溶接する場合は、貴金属
チップの固定のため、チップを母材の先端から充分深く
挿入し、溶接される必要があった。このために、体積の
大きい貴金属チップが必要となり高価になる欠点があっ
た。

【０００４】この発明が解決しようとする課題は、中心
電極の先端に体積の小さい貴金属チップをレーザービー
ムで溶接することによって、貴金属チップの剥離を防止
でき、着火性に優れたスパークプラグの提供にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明のスパークプラ
グは、ニッケル合金より成る中心電極の放電側端部に直
棒径小部を有し、前記直棒径小部端面に該直棒径小部と
ほぼ同径の貴金属チップを有するスパークプラグにおい
て、前記貴金属チップは、前記中心電極と貴金属チップ
との境界部を全周にわたり、レーザーを照射して楔状の
溶融凝固合金部を設けて接合したことを特徴とする。

【０００６】請求項２に記載のスパークプラグの貴金属
チップは、該貴金属チップの直径をＤ、厚さをＴ、前記
中心電極の直棒径小部の長さをＬ、前記溶融凝固合金部
の溶け込み深さをＡ、前記貴金属チップの半径をＲ、中
心電極の外周面での前記溶融凝固合金部の幅をＢとした
とき ０．５ｍｍ≦Ｄ≦１．５ｍｍ、０．３ｍｍ≦Ｔ≦０．６
ｍｍ、０．２ｍｍ≦Ｌ≦０．５ｍｍ、Ｒ／３≦Ａ≦Ｒ、
０．３ｍｍ≦Ｂ≦０．８ｍｍ を満足することを特徴とする。

【０００７】請求項３に記載のスパークプラグのレーザ
ー溶接は、間欠的になされるとともに、レーザービーム
による照射面が重なりあって接合され、前記照射面の上
端は、火花放電部端面より少なくとも０．１ｍｍ以上離
れていることを特徴とする。

【０００８】請求項３に記載のスパークプラグの中心電
極は、耐熱性金属の母材および該母材内に埋設された良
熱伝導性金属の芯からなり、前記貴金属チップの下端面
と前記良熱伝導性金属の芯とは直接接するか、多くとも
１．５ｍｍ以下の間隔を持つことを特徴とするニッケル
合金により成る中心電極の放電側端部に径小直棒部を有
し、前記径小直棒部端面に該径小直棒部とほぼ同径の貴
金属チップを有するスパークプラグにおいて、前記中心
電極と前記貴金属チップとの境界部全周にわたり、レー
ザーを照射して楔状の溶融凝固合金部を設けて接合した
ことを特徴とする。

【０００９】

【発明の作用及び効果】請求項１に記載の発明では、中
心電極の直棒径小部の先端に貴金属チップを溶接してい
るために電極消耗を最小限に抑え、放電電圧を低くする
ことができる。このため、着火性に優れたスパークプラ
グを得ることができる。

【００１０】請求項２に記載の発明では、中心電極の直
棒径小部に溶接される貴金属チップの形状や、中心電極
の直棒径小部と貴金属チップとの溶接部分の形状を規定
しているために、高価な貴金属を適量使用するだけで、
電極消耗を最小限に抑えて放電電圧を低くすることがで
きる。このため、安価で着火性に優れたスパークプラグ
を得ることができる。

【００１１】請求項３に記載の発明では、レーザービー
ムの照射面の上端を貴金属放電部端面よりも０．１ｍｍ
以上離し、照射面を重なりあうようにしているために、
堅固にレーザー溶接でき、火花放電時の高温、高圧に耐
え、中心電極の先端に溶接された貴金属チップの欠落や
剥離を防止することができるとともに、エッジを有する
ことから放電電圧を低減することができる。

【００１２】請求項４に記載の発明では、良熱伝導性金
属の芯を貴金属チップに近接させているために火花放電
部の温度上昇を抑制することができる。このため、細い
火花放電電極であっても電極消耗を最小限に抑え、かつ
放電電圧を低くすることができる。

【００１３】

【実施例】図１は、この発明にかかるスパークプラグで
あり、先端面に外側電極１を溶接した円筒状の主体金具
２とこの段部２１にパッキン２２を介して絶縁碍子３の
座面３１を係止し、頭部２３の加締めによって固定され
た絶縁碍子３とから成っている。絶縁碍子３の軸孔３２
には中心電極４が嵌め込まれ、直棒径小部４Ａが絶縁碍
子３の先端より突出すると共に径大の鍔部４Ｂが軸孔３
２の段部に当接し、導電性ガラスシール５１、モノシリ
ック抵抗体５２及び端子５３を備えた中軸５が一体に加
熱封着されている。そして、このスパークプラグは主体
金具２の先端にねじ部２４が螺刻され、ガスケット２５
を介して図示しないシリンダヘッドに固着される。

【００１４】図２に示すごとく中心電極４は、クロム
（Ｃｒ）や鉄（Ｆｅ）を含むインコネル６００等のＮｉ
合金で、直棒径小部４Ａをなす円柱状母材４１と、母材
４１に埋め込まれたＣｕまたは銀（Ａｇ）を主体とする
良熱伝導性金属の芯４２と、母材４１の先端部に溶接さ
れた貴金属チップ６とからなる。

【００１５】貴金属チップ６は、白金（Ｐｔ）、イリジ
ウム（Ｉｒ）、Ｉｒに稀土類酸化物を添加したもの、ま
たはＰｔーＩｒ合金材などからなり、中心電極４の直棒
径小部４Ａと同径の円柱である。図３に示すようにこの
貴金属チップ６の溶接は、一発の熱量が２ＪのＹＡＧ
（イットリウム、アルミニウム、ガーネット）レーザー
ビームＬＢを間欠的に母材４１の先端面４３と貴金属チ
ップ６との境界部を境界面に対し平行方向に照射し、こ
れによって母材４１の成分と貴金属チップ６の成分の溶
け合った溶融凝固合金部７を作る。またこのレーザービ
ームＬＢは、その照射面７１が互いに重なる間隔で、母
材４１と貴金属チップ６の側面全周に渡って複数回照射
される。

【００１６】このとき、照射面７１の上端Ｌ１は、貴金
属チップ６の火花放電部端面６１よりも０．１ｍｍ以上
溶融凝固合金部７側に離れていることが必要である。こ
れは、上端Ｌ１が端面６１に０．１ｍｍより近く照射さ
れると、レーザービームＬＢの熱によって溶融し、貴金
属チップ６の端面６１のエッジ部６２が溶融して丸みを
帯びてしまい、放電電圧が高くなってしまうためであ
る。

【００１７】レーザー溶接によって作られた溶融凝固合
金部７は、前述したように母材４１の成分と貴金属チッ
プ６の成分が溶け合っているために、線膨張率など両者
の中間の物理特性を持っている。このため、溶融凝固合
金部７を有するスパークプラグは、中心電極４の先端部
分に高熱が加えられ熱膨張の差を原因とする貴金属チッ
プ６と母材４１との剥離などが発生しにくい特徴を持
つ。

【００１８】図２に示したようにこの発明のスパークプ
ラグは、貴金属チップ６の直径をＤ、厚さをＴ、中心電
極４の直棒径小部４Ａの長さをＬ、溶融凝固合金部７の
溶け込み深さをＡ、貴金属チップ６の半径をＲ、中心電
極２の外周面での溶融凝固合金部７の幅をＢとしたとき ０．５ｍｍ≦Ｄ≦１．５ｍｍ、０．３ｍｍ≦Ｔ≦０．６
ｍｍ、０．２ｍｍ≦Ｌ≦０．５ｍｍ、Ｒ／３≦Ａ≦Ｒ、
０．３ｍｍ≦Ｂ≦０．８ｍｍ となるように設定されている。

【００１９】貴金属チップ６の直径Ｄを０．５ｍｍ以
上、１．５ｍｍ以下にする理由を図４に示す。図４は、
２０００ｃｃ、６気筒ガソリンエンジン、５０００ｒｐ
ｍ全開で３００時間の耐久試験を行ったときの火花放電
ギャップ増加量の変化を示す。このグラフから分かるよ
うに、貴金属チップ６の直径Ｄが０．５ｍｍよりも小さ
いと火花放電が集中して、ギャップ増加量が急激に高く
なってしまう。つまり貴金属チップ６の直径Ｄは、小さ
い程飛火し易く放電電圧は低下するが、一方火花放電の
集中が顕著となり、電極消耗が早く進んでしまうことと
なる。また、直径Ｄが１．５ｍｍを過ぎると、ギャップ
増加量はほとんど変化がないが、火花放電面が大きくな
ることによって着火性が低下してしまう。さらに、高価
な貴金属の使用量が増えコスト高となる。

【００２０】貴金属チップ６の厚さＴを０．３ｍｍ以上
としている理由は、図５に示すように、厚さＴが０．３
ｍｍよりも薄いと、レーザービームＬＢの照射時に貴金
属チップ６の端面６１のエッジ部６２までが溶融して丸
みを帯びてしまい、放電電圧が高くなってしまうためで
ある。また、貴金属チップ６の厚さＴを０．６ｍｍ以下
としているのは、０．６ｍｍより厚いと耐電極消耗に関
与しない貴金属の使用量が増大し、コスト高となるため
である。

【００２１】中心電極４の直棒径小部４Ａの長さＬを
０．２ｍｍ以上としているのは、貴金属チップ６と母材
４１とを溶接する際に、直棒径小部４Ａが短いとレーザ
ー溶接時の熱が母材４１から芯４２を通じて熱引きされ
てしまい、貴金属チップ６の溶融不足になり、溶融凝固
合金部７の母材４１の成分と貴金属チップ６の成分の均
一な溶け込みが期待できなくなってしまうからである。
また、直棒径小部４Ａの長さＬを０．５ｍｍ以下として
いるのは、０．５ｍｍよりも長くすると、貴金属チップ
６と比べて融点の低い母材４１は、レーザービームＬＢ
の熱により温度が上昇しすぎて、ブローホールやクラッ
クが発生し易くなるためである。

【００２２】中心電極２での溶融凝固合金部７の溶け込
み深さＡを、貴金属チップ６の半径Ｒの１／３以上、Ｒ
以下の深さである理由を図６に示す。図６は、２０００
ｃｃ、６気筒のガソリンエンジン、５５００ｒｐｍ×ス
ロットル全開１分とアイドリング１分のサイクリックパ
ターン耐久テストで、溶融凝固合金部７の溶け込み深さ
Ａを変化させたときの貴金属チップ６の脱落するまでの
繰り返し数を示す。このグラフの（あ）は溶け込み深さ
ＡがＲ／５よりも小さく、（い）は溶け込み深さＡがＲ
／５〜Ｒ／４、（う）は溶け込み深さＡがＲ／４〜Ｒ／
３、（え）は溶け込み深さＡがＲ／３〜Ｒ／２、（お）
は溶け込み深さＡがＲ／２〜２Ｒ／３、（か）は溶け込
み深さＡが２Ｒ／３〜３Ｒ／４、（き）は溶け込み深さ
Ａが３Ｒ／４〜Ｒ、（く）は溶け込み深さＡがＲよりも
大きいときである。

【００２３】このグラフから分かるように、溶け込み深
さＡが（え）のＲ／３〜Ｒ／２以上深いときは１０００
０サイクルの繰り返しでも脱落が生じなかった。しか
し、（く）は脱落が生じなかったが、溶融凝固合金部７
の交差する中央部７１にブローホールを生ずるため好ま
しくない。

【００２４】溶融凝固合金部７の幅Ｂを０．３ｍｍ以上
としているのは、０．３ｍｍよりも小さいと、レーザー
ビームＬＢの入熱不足で、上記貴金属チップ６の直径Ｄ
の１／５以上である溶け込み深さの条件を満たすことが
できずに、剥離し易くなってしまうためである。また、
溶融凝固合金部７の幅Ｂを０．８ｍｍ以下としているの
は、０．８ｍｍよりも大きくなってしまうと貴金属チッ
プ６の火花放電部端面６１のエッジ部６２までも溶融さ
せてしまう恐れがあり、入熱過大となって、溶融凝固合
金部７にブローホールやクラックが発生してしまうこと
があるからである。また、望ましくは０．４ｍｍ以上、
０．５ｍｍ以下がよい。

【００２５】中心電極４の母材４１の軸心部には良熱伝
導性金属の芯４２が封着されており、芯４２の先端部４
４と貴金属チップ６の下端面６３とは直接接するか、又
は１．５ｍｍ以下の間隔Ｃを持つ理由を図７に示す。図
７は、２０００ｃｃ、６気筒エンジン、５０００ｒｐｍ
×３００時間エンジン全開で、直径が０．８ｍｍの貴金
属層電極を用い、間隔Ｃを変化させたときの火花放電ギ
ャップ増加量の変化を示した。このグラフからわかるよ
うに間隔Ｃが１．５ｍｍを越えると急激にギャップ増加
量が増えてしまう。これは、火花放電部である貴金属チ
ップ６が高温の燃焼ガスから受けた熱を良熱伝導性の芯
４２で熱引きする効果が減少してしまい、貴金属チップ
６の消耗が顕著となるからである。

【００２６】この発明の他の実施例を図８（イ）、
（ロ）、（ハ）、（ニ）に示す。図８の（イ）は、貴金
属チップ６の下端面６３に凹部６４を設け、母材４１の
先端面４３の凸部４５と嵌着させて溶接される。この場
合、溶接前の母材４１と貴金属チップ６との固定が、凹
部６４、凸部４５によってし易くなり、仮止めの必要が
なくなる。

【００２７】図８の（ロ）は、貴金属チップ６の下端面
６３に凸部６５を設け、母材４１の先端面４３の凹部４
６と嵌着させて溶接される。この場合、貴金属チップ６
が芯４２とより近くなり、熱引きが良好となる。

【００２８】図８の（ハ）は、（イ）の貴金属チップ６
の端面６１に十字形の凹部６６を設けると外側電極１と
端面６１間の隙間の球体積が大きくなって消炎作用を受
けにくく、着火性が向上するとともに、放電電圧のばら
つきの低減することができる。

【００２９】図８の（ニ）は、貴金属チップ６の直径Ｄ
よりも母材４１の直棒径小部４Ａの直径Ｄ₀ が幾分大き
くなっている。レーザー溶接は、貴金属チップ６と直棒
径小部４Ａとの境界部に全周に渡って照射され、固定さ
れる。この場合、貴金属チップ６を小さくすることがで
きるため、コストを低減することができる。

【００３０】また、溶接方法にはレーザービーム溶接だ
けでなくアルゴン溶接や、電子ビーム溶接でもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のスパークプラグの要部断面図であ
る。

【図２】この発明の中心電極の先端部分の断面図であ
る。

【図３】この発明の中心電極の先端部分の斜視図であ
る。

【図４】貴金属チップの直径と火花放電ギャップ増加量
との関係を示すグラフである。

【図５】貴金属チップの厚さを０．３ｍｍより小さくし
たときの中心電極の先端部分の要部断面図である。

【図６】レーザー溶接による溶け込み深さと貴金属の脱
落までのサイクル数の関係を示すグラフである。

【図７】芯の先端部と貴金属チップの下端面との間隔Ｃ
と火花放電ギャップ増加量との関係を示すグラフであ
る。

【図８】この発明の他の実施例を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 外側電極 ２ 主体金具 ３ 絶縁碍子 ４ 中心電極 ５ 中軸 ６ 貴金属チップ ７ 溶融凝固合金部 ４Ａ 直棒径小部 ６１ 貴金属チップの端面 ７１ 照射面 Ｌ１ 照射面の上端

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ニッケル合金より成る中心電極の放電側
   端部に直棒径小部を有し、前記直棒径小部端面に該直棒
   径小部とほぼ同径の貴金属チップを有するスパークプラ
   グにおいて、 前記貴金属チップは、前記中心電極と貴金属チップとの
   境界部を全周にわたり、レーザーを照射して楔状の溶融
   凝固合金部を設けて接合したことを特徴とするスパーク
   プラグ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のスパークプラグであっ
   て、 貴金属チップは、該貴金属チップの直径をＤ、厚さを
   Ｔ、前記中心電極の直棒径小部の長さをＬ、前記溶融凝
   固合金部の溶け込み深さをＡ、前記貴金属チップの半径
   をＲ、中心電極の外周面での前記溶融凝固合金部の幅を
   Ｂとしたとき ０．５ｍｍ≦Ｄ≦１．５ｍｍ、０．３ｍｍ≦Ｔ≦０．６
   ｍｍ、０．２ｍｍ≦Ｌ≦０．５ｍｍ、Ｒ／３≦Ａ≦Ｒ、
   ０．３ｍｍ≦Ｂ≦０．８ｍｍ を満足することを特徴とするスパークプラグ。
3. 【請求項３】 請求項１および請求項２に記載のスパー
   クプラグであって、 レーザー溶接は、間欠的になされるとともに、レーザー
   ビームによる照射面が重なりあって接合され、 前記照射面の上端は、火花放電部端面より少なくとも
   ０．１ｍｍ以上離れていることを特徴とするスパークプ
   ラグ。
4. 【請求項４】 請求項１、請求項２および請求項３に記
   載のスパークプラグであって、 中心電極は、耐熱性金属の母材および該母材内に埋設さ
   れた良熱伝導性金属の芯からなり、前記貴金属チップの
   下端面と前記良熱伝導性金属の芯とは直接接するか、多
   くとも１．５ｍｍ以下の間隔を持つことを特徴とするス
   パークプラグ。