JP2002033176A - スパークプラグおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 接地電極に対向配置された中心電極の先端面
にＩｒ合金よりなるチップをレーザ溶接により固定して
なるスパークプラグにおいて、熱負荷の厳しい環境で使
用した場合でもチップと中心電極との接合信頼性を確保
できるようにする。 【解決手段】 円柱状の中心電極３０の先端面３１に直
径φｄを有する円板状のチップ６０をレーザ溶接法にて
固定した後、チップ６０と中心電極３０との溶融部７０
を切削して溶融部７０の形状を調整することにより、溶
融部７０及びチップ６０について中心電極３０の先端面
３１に沿った断面をみたとき、直径φＤを有する溶融部
７０の最大断面積部の面積が、チップ６０の径方向断面
の面積に対して１．５倍以下となるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、互いに対向して配
置された中心電極及び接地電極のうち少なくとも一方を
母材として、この母材の一面に貴金属もしくはその合金
よりなる放電部材としてのチップを溶接により固定して
なるスパークプラグおよびその製造方法に関し、特に、
コージェネレーションエンジン等の熱負荷の厳しい環境
で使用するスパークプラグに用いて好適である。

【０００２】

【従来の技術】スパークプラグは、火花放電を行う放電
部材としてＩｒやＰｔ等の貴金属もしくはそれらの合金
よりなるチップを中心電極や接地電極（母材）に溶接・
固定することにより、長寿命化、高性能化を図ってい
る。これらチップの接合方法としては、製造しやすさや
コスト等の面から、抵抗溶接が一般的である。しかし、
例えばＩｒ合金をチップに用いる場合、Ｉｒ合金はＰｔ
合金に比べて母材との線膨張係数の差が大きいため、抵
抗溶接ではチップと母材との接合信頼性を確保すること
が困難である。

【０００３】そのため、従来では、Ｉｒ合金よりなるチ
ップを母材に接合する場合、レーザ溶接により、Ｉｒ合
金と母材（Ｎｉ合金等）との間にＩｒ合金と母材とを溶
融させた合金層（緩和層）を形成し、チップと母材との
接合部に加わる熱応力を緩和することにより、チップと
母材との接合信頼性を確保している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者の検討によれば、レーザ溶接、抵抗溶接等の溶接方法
に関わらず、チップのサイズが大きい場合や、熱負荷の
厳しい環境（例えば、コージェネレーションエンジンで
は、中心電極の温度が９５０℃程度になる）でプラグを
使用する場合、熱応力を増大させてしまい、最悪、母材
からチップが脱落してしまうという問題が発生すること
がわかった。

【０００５】そこで、本発明は上記問題に鑑み、熱負荷
の厳しい環境で使用した場合でも、チップと母材との接
合信頼性を確保できるようなスパークプラグ及びその製
造方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】溶接によって形成される
チップと母材との溶融部のサイズを極力小さくすれば、
熱応力を低減できると考え、溶融部のサイズ等について
実験検討を行った。その結果、溶融部のサイズを所定値
以下に小さくすることにより、コージェネレーションエ
ンジン等の熱負荷の厳しい環境でプラグを使用した場合
に、実用上、接合信頼性を確保できることを実験的に見
出した。そして、この実験結果に基づき請求項１〜請求
項３の発明を創案した。

【０００７】まず、請求項１の発明では、互いに対向し
て配置された中心電極（３０）及び接地電極（４０）の
うち少なくとも一方を母材として、この母材の一面（３
１、４２）に貴金属もしくはその合金よりなる放電部材
としてのチップ（６０）を溶接により固定してなるスパ
ークプラグにおいて、チップと母材との溶融部（７０）
及びチップについて母材の一面に沿った断面をみたと
き、溶融部の最大断面積部の面積が、チップのうち溶融
部との界面に位置する断面の面積に対して１．５倍以下
であると共に、チップのうち溶融部との界面に位置する
断面の面積が２ｍｍ²以上でかつ７ｍｍ²以下であること
を特徴としている。

【０００８】ここで、チップが溶接された後の母材の一
面は、チップとの溶融部が形成される等により、面が明
確でなくなる場合もあるため、母材の一面とは、チップ
溶接前の状態を意味する。

【０００９】本発明によれば、溶融部の最大断面積部の
面積を、チップのうち溶融部との界面に位置する断面の
面積に対して１．５倍以下となるように小さくすること
で、溶融部への熱応力が低減でき、コージェネレーショ
ンエンジン等の熱負荷の厳しい環境で使用した場合で
も、チップと母材との接合信頼性を確保できるようなス
パークプラグを提供することができる。また、チップの
うち溶融部との界面に位置する断面の面積が２ｍｍ²以
上でかつ７ｍｍ²以下のスパークプラグにおいて、上記
効果が顕著である。

【００１０】ここで、請求項２の発明のように、溶融部
（７０）の最小断面積部の面積を、チップ（６０）のう
ち溶融部との界面に位置する断面の面積に対して０．６
倍以上にすることが好ましい。これは、０．６倍未満で
あると、チップから母材への熱引きが悪くなり、チップ
温度が上昇してチップの消耗を増大させてしまうためで
ある。よって、０．６倍以上であれば、実用上十分な耐
消耗性を確保することができる。

【００１１】また、請求項３の発明では、母材（３０、
４０）において、その一面（３１、４２）に沿った断面
がチップ（６０）のうち溶融部（７０）との界面に位置
する断面の面積に対して１．５倍以下になっている小断
面積部（３３、４３）を、母材と溶融部との界面を起点
として母材の一面と直交する方向へ２．０ｍｍ以内の長
さ（本欄にて、形成長さという）にて形成したことを特
徴としている。

【００１２】それによれば、母材に上記小断面積部を形
成することで、溶融部に接する母材自身のサイズも小さ
くすることができ、熱応力をより低減することができ
る。ここで、本発明者の実験検討によれば、小断面積部
の形成長さ（Ｌ）を２．０ｍｍ以内とすることが好まし
い。これは、次の理由による。

【００１３】小断面積部は、母材（中心電極及び／また
は接地電極）の他の部位に比べて細い部位となる。も
し、形成長さが２．０ｍｍよりも大きいと、母材が細す
ぎて熱伝導性が悪化し、母材の温度上昇による影響が大
きくなり、結果として溶融部への熱応力を増大させてし
まうため、接合信頼性を確保しにくくなる。その点、小
断面積部の形成長さを２．０ｍｍ以内とすることによ
り、母材の温度上昇の影響を抑え、溶融部への熱応力を
低減して、上記請求項１または２の発明の効果を適切に
発揮することができる。

【００１４】また、請求項４の発明では、互いに対向し
て配置された中心電極（３０）及び接地電極（４０）の
うち少なくとも一方を母材として、この母材の一面（３
１、４２）に貴金属もしくはその合金よりなる放電部材
としてのチップ（６０）を溶接により固定してなるスパ
ークプラグにおいて、チップと母材との溶融部（７０）
及びチップについて母材の一面に沿った断面をみたと
き、溶融部の断面を、チップのうち溶融部との界面に位
置する断面と実質的に同一の形状及び寸法としたことを
特徴としている。

【００１５】もし、チップと溶融部との界面において、
互いの断面の形状又は寸法が異なると、チップまたは溶
融部がはみ出した部分が存在する。すると、そのはみ出
した部分においてチップと溶融部とによってエッジ部が
形成される。このエッジ部は熱応力が集中しやすい部位
である。

【００１６】しかし、本発明によれば、チップと溶融部
との界面において互いの断面の形状及び寸法が同一であ
るため、そのようなエッジ部が存在せず、熱応力の低減
が図れ、熱負荷の厳しい環境で使用した場合でもチップ
と母材との接合信頼性を確保できるようなスパークプラ
グを提供することができる。

【００１７】ここで、請求項５の発明では、請求項４の
スパークプラグにおいて、母材（３０、４０）におい
て、母材の一面（３１、４２）に沿った断面が溶融部
（７０）の断面と同一の形状及び寸法である同一形状部
（３３ａ）を、母材と溶融部との界面を起点として母材
の一面と直交する方向へ２．０ｍｍ以内の長さ（形状長
さ）にて形成したことを特徴としている。

【００１８】それによれば、母材と溶融部との界面にお
いても、エッジ部が存在しないため、請求項４の発明の
効果をより高いレベルにて発揮するスパークプラグを提
供することができる。また、本発明における同一形状部
の形状長さ（Ｌ）を２．０ｍｍ以内としたことの理由
は、上記請求項３の発明における理由と同じである。

【００１９】ここで、請求項６の発明のように、チップ
（６０）を、レーザ溶接により母材（３０、４０）の一
面（３１、４２）に固定されたものとすることができ
る。抵抗溶接による溶融部の厚みが一般に１０〜数１０
μｍ程度であるのに対し、レーザ溶接による溶融部の厚
みは一般に数百μｍ〜１ｍｍ程度である。請求項１〜請
求項５の発明は、溶融部の大きいレーザ溶接によりチッ
プを固定するようにしたスパークプラグに用いて好適で
ある。

【００２０】また、請求項７の発明のように、チップ
（６０）の材質としては、Ｉｒを５０ｗｔ％以上含む合
金よりなるものを採用することができる。このＩｒ合金
のような、母材との線膨張係数の差が大きいチップにお
いて、請求項１〜請求項７の発明の効果はより発揮され
る。

【００２１】また、請求項８の発明では、中心電極（３
０）及び接地電極（４０）のうち少なくとも一方を母材
として、この母材の一面（３１、４２）に貴金属もしく
はその合金よりなる放電部材としてのチップ（６０）を
溶接により固定してなるスパークプラグを製造する方法
であって、母材の一面にチップを溶接した後、チップと
母材との溶融部（７０）を切削等の加工を施して溶融部
の形状を調整することを特徴としている。

【００２２】それによれば、母材の一面にチップを溶接
した後、チップと母材との溶融部を加工し、その形状を
調整することにより、上記した溶融部の断面の面積や形
状を所望のものにできるため、請求項１、請求項２及び
請求項４のスパークプラグを適切に製造することができ
る。

【００２３】また、請求項９の発明のように、チップと
母材との溶融部（７０）及びチップについて母材の一面
に沿った断面をみたとき、溶融部の最大断面積部の面積
が、チップのうち溶融部との界面に位置する断面の面積
に対して１．５倍以下になるように、溶融部（７０）を
加工することにより、特に請求項１のスパークプラグを
適切に製造することができる。

【００２４】さらに、請求項１０の発明のように、溶融
部（７０）とともに、溶融部と隣接する母材（３０、４
０）を切削等の加工を施し母材の形状を調整することに
より、請求項３及び請求項５のスパークプラグを適切に
製造することができる。また、請求項１１の発明のよう
に、溶接をレーザ溶接法により行うようにすれば、請求
項６のスパークプラグを適切に製造することができる。

【００２５】なお、上記各手段の括弧内の符号は、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一
例である。

【００２６】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）以下、本発明を
図に示す実施形態について説明する。図１は本発明の第
１実施形態に係るスパークプラグ１００の全体構成を示
す半断面図である。このスパークプラグ１００は、コー
ジェネレーション等の熱負荷の厳しいエンジンの点火栓
等に適用されるものであり、該エンジンの燃焼室を区画
形成するエンジンブロック（図示せず）に設けられたネ
ジ穴に挿入されて固定されるようになっている。

【００２７】スパークプラグ１００は、導電性の鉄鋼材
料（例えば低炭素鋼等）等よりなる円筒形状の取付金具
１０を有しており、この取付金具１０は、上記エンジン
ブロックに固定するための取付ネジ部１１を備えてい
る。取付金具１０の内部には、アルミナセラミック（Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ ）等からなる絶縁体２０が固定されており、こ
の絶縁体２０の先端部２１は、取付金具１０から露出す
るように設けられている。

【００２８】絶縁体２０の軸孔２２には中心電極３０が
固定されており、この中心電極３０は取付金具１０に対
して絶縁保持されている。中心電極３０は、例えば、内
材がＣｕ等の熱伝導性に優れた金属材料、外材がＮｉ基
合金等の耐熱性および耐食性に優れた金属材料により構
成された円柱体で、図１に示すように、その先端面３１
（図３（ａ）参照）が絶縁体２０の先端部２１から露出
するように設けられている。

【００２９】一方、接地電極４０は、一端側にて取付金
具１０の一端に溶接により固定され、途中で略Ｌ字に曲
げられて、他端側の側面４１において中心電極３０の先
端面３１と放電ギャップ５０を隔てて対向している。接
地電極４０は、例えば、Ｎｉを主成分とするＮｉ基合金
からなる角柱より構成されている。

【００３０】このように、中心電極３０の先端面３１及
び接地電極４０の他端側の側面４１が互いに対向して配
置されているが、本実施形態では、中心電極３０を母材
として、この中心電極３０の先端面（本発明でいう母材
の一面）３１に、貴金属もしくはその合金よりなる放電
部材としてのチップ６０が、レーザ溶接によって接合固
定されている。

【００３１】本実施形態では、チップ６０として、貴金
属であるＩｒ（イリジウム）を５０ｗｔ％以上含む合金
よりなり、中心電極３０の先端面３１に沿った断面が円
形をなす円板状のものを採用できる。なお、上記の放電
ギャップ５０は、チップ６０と接地電極４０の他端側の
側面４１との隙間である。ここで、図２に中心電極３０
の先端部の拡大断面形状を示す。

【００３２】図２に示す様に、直径φｄの円板状のチッ
プ６０と円柱状の中心電極３０とが、レーザ溶接により
両者が溶け合った溶融部７０を介して接合されている。
ここで、溶融部７０及びチップ６０について中心電極３
０の先端面（母材の長手方向と直交する面）３１に沿っ
た断面をみたとき、溶融部７０の最大断面積部（最大直
径φＤの部位）の面積が、チップ６０のうち溶融部７０
との界面に位置する断面の面積に対して１．５倍以下に
なっている。

【００３３】本実施形態では、チップ６０は円板状であ
るため、上記のチップ６０のうち溶融部７０との界面に
位置する断面とは、チップ６０の径方向断面（円形断
面）に相当する。また、円板状のチップ６０と円柱状の
中心電極３０との溶接であるため、溶融部７０における
中心電極３０の先端面３１に沿った断面は、略円形の断
面となる。

【００３４】図２に示す例では、溶融部７０の最大断面
積部の面積が、チップ６０の径方向断面の面積よりも大
きいため、溶融部７０は、チップ６０側から中心電極３
０側へ向かってテーパ状に拡径し且つ中心電極３０側に
最大直径φＤを有する略円柱状に形成されている。

【００３５】次に、上記構成を有するスパークプラグ１
００の製造方法のうち、中心電極３０とチップ６０との
接合方法について述べる。なお、同製造方法のうち他の
部分の製造工程については、周知であるため説明を省略
する。図３は、本接合方法を、上記図２に対応した断面
にて示す工程図である。

【００３６】まず、図３（ａ）に示す様に、円板状のチ
ップ６０における一側の円形面を、中心電極３０の先端
面３１に抵抗溶接等により仮接着する。なお、本例で
は、溶接前の中心電極３０の先端面３１は、その直径φ
Ｓ１が基部３２の直径φＳ２よりも小さくなっている。
次に、中心電極３０を回転させながら、チップ６０と中
心電極３０の先端面３１との間にレーザ光（矢印Ｒ）を
照射する。

【００３７】これにより、図３（ｂ）に示す様に、チッ
プ６０と中心電極３０とが溶け合った溶融部７０が形成
される。このように、溶接を行った後、図３（ｃ）に示
す様に、刃具等を用いて溶融部７０の外周に対して切削
加工を施し（図中、切削された部分を破線Ｋで示す）、
溶融部７０の形状を調整する。この溶融部形状調整工程
によって、溶融部７０は、上記図２に示したような形状
に適切に形成される。

【００３８】ところで、本実施形態では、上述したよう
に、溶融部７０及びチップ６０について中心電極３０の
先端面３１に沿った断面をみたとき、溶融部７０の最大
断面積部の面積を、チップ６０の径方向断面の面積に対
して１．５倍以下となるように小さくしている。限定す
るものではないが、このような構成を採用するに至った
検討結果の一例を示す。

【００３９】本検討例では、チップ６０として、Ｉｒが
９０重量％、Ｒｈが１０重量％のＩｒ−１０Ｒｈ合金よ
りなる、直径φｄが２．４ｍｍ、厚さが１．４ｍｍの円
板状のものを用意し、母材である中心電極３０として、
Ｎｉ基合金（インコネル（登録商標））よりなり、先端
面３１の直径φＳ１が２．７ｍｍ、基部３２の直径φＳ
２が３．２ｍｍであり、先端面３１と基部３２との間に
直径φＳ１を有して形成された部分の長さＳ３（図３
（ａ）参照）が０．３ｍｍの円柱状のものを用意した。

【００４０】これらチップ６０と中心電極３０とを、上
記図３に示した様にレーザ溶接により接合し、切削加工
を施した。これにより、溶融部７０の最大直径φＤを、
φ２．４ｍｍ（チップ６０の直径φｄと同一）、φ２．
６ｍｍ、φ２．８ｍｍ、φ３．０ｍｍ、φ３．２ｍｍと
いうように、種々変えたものを作成した。図４は、各最
大直径φＤについて、溶融部７０の最大断面積部の面積
とチップ６０の径方向断面の面積との比（以下、「チッ
プとの最大部断面積比」という）を示す図表である。

【００４１】ここで、溶融部７０の最大直径φＤを、φ
２．４ｍｍ（チップ６０の直径φｄと同一）とした場合
は、中心電極３０の先端面３１に沿った断面をみたと
き、溶融部７０の断面が、チップ６０の径方向断面と同
一の形状及び寸法（同一の円形状）となる。つまり、溶
融部７０は、チップ６０の直径φｄと同じで且つ長さ方
向に均一な直径を有する円柱状となる。また、最大直径
φＤを、φ３．２ｍｍとしたものは、上記接合方法にお
いて切削加工を行わずレーザ溶接のみ行ったもので、従
来品（つまり、図３（ｂ）に示す形状のもの）に相当す
る。

【００４２】これら最大直径φＤを種々変えたものにつ
いて、それぞれ、６気筒２０００ｃｃエンジンに搭載
し、耐久テストを行い、チップ６０と中心電極３０との
接合信頼性を調べた。耐久テストの運転条件は、アイド
ル状態で１分保持、スロットル全開状態６０００ｒｐｍ
で１分保持を１サイクルとし、このサイクルを１００時
間繰り返した。

【００４３】また、接合信頼性は、図５に示す剥離率に
て評価した。即ち、図５に示す断面において、チップ６
０と溶融部７０との界面の長さを接合部長さＡ、チップ
６０と溶融部７０とが剥離している部分の長さを剥離長
さＢ１、Ｂ２とし、剥離率は、剥離長さを接合部長さで
割った値に１００をかけた値１００（Ｂ１＋Ｂ２）／Ａ
（％）とした。

【００４４】図６は、上記最大直径φＤを種々変えたも
のについて、耐久テスト後の剥離率を求め、上記図４に
示した「チップとの最大部断面積比」と剥離率（％）と
の関係をプロットしたグラフである。ここで、本発明者
の検討によれば、耐久テスト後の剥離率は２５％以下で
あれば、コージェネレーションエンジン等の熱負荷の厳
しい環境で使用した場合でも、実用上、接合信頼性を満
足する。図６から、剥離率２５％以下を満足するには、
上記「チップとの最大部断面積比」は１．５倍以下であ
ることが好ましい。

【００４５】また、中心電極３０の先端面３１に沿った
断面をみたとき、溶融部７０の断面をチップ６０の径方
向断面と同一の形状及び寸法とした場合（上記「チップ
との最大部断面積比」が１倍の場合、以下、「溶融部と
チップの同一形状構成」という）には、殆ど剥離が起こ
らず、非常に効果が大きいことがわかる。

【００４６】従って、本実施形態によれば、溶融部７０
の最大断面積部の面積を、チップ６０の径方向断面の面
積（チップのうち溶融部との界面に位置する断面の面
積）に対して１．５倍以下となるように小さくすること
で、溶融部７０への熱応力が低減でき、コージェネレー
ションエンジン等の熱負荷の厳しい環境で使用した場合
でもチップ６０と中心電極（母材）３０との接合信頼性
を確保できるようなスパークプラグ１００を提供するこ
とができる。

【００４７】また、本実施形態において、上述の「溶融
部とチップの同一形状構成」を採用した場合でも、同様
に接合信頼性を確保できるようなスパークプラグ１００
を提供することができる。もし、チップ６０と溶融部７
０との界面において互いの断面の形状又は寸法が異なる
と、チップ６０または溶融部７０がはみ出した部分が存
在する。

【００４８】すると、はみ出し部においてチップ６０と
溶融部７０とによって、熱応力が集中しやすいエッジ部
が形成される。しかし、「溶融部とチップの同一形状構
成」によれば、チップ６０と溶融部７０との界面におい
て互いの断面の形状又は寸法が同一であるため、そのよ
うなエッジ部が存在せず、熱応力の低減が図れる。

【００４９】なお、図７に示すように、チップ６０の径
方向中心部付近にチップ６０と中心電極３０とが溶け合
っていない非溶融領域Ｘがある場合においても、溶融部
７０の最大断面積部の面積を、チップ６０の径方向断面
の面積に対して１．５倍以下となるように小さくするこ
とで、チップ６０と中心電極（母材）３０との接合信頼
性を確保できる。そして、この図７の例における溶融部
７０の最大断面積部の面積とは、溶融領域Ｙの断面積だ
けでなく、非溶融領域Ｘの断面積も含むものである。

【００５０】次に、「チップとの最大部断面積比」が
１．７８倍（従来品に相当）のスパークプラグと、「チ
ップとの最大部断面積比」が１倍（「溶融部とチップの
同一形状構成」）のスパークプラグについて、チップ６
０の径方向断面の面積を種々変更して耐久テストを行っ
た。なお、このテストに供したスパークプラグの材質、
構成および製造方法は上記の検討例（最大直径φＤを種
々変えたもの）と同じであり、また、耐久テストの条件
および評価方法も上記の検討例と同じである。

【００５１】図８はその耐久テストの結果を示すもの
で、チップ６０の径方向断面（チップ断面積）と耐久テ
スト後の剥離率との関係をプロットしたグラフである。
この図８から明らかなように、チップ６０の径方向断面
の面積が２ｍｍ²未満では、「チップとの最大部断面積
比」にかかわらず剥離率はほぼ０％であり、一方、チッ
プ６０の径方向断面の面積が７ｍｍ²を超えると、「チ
ップとの最大部断面積比」が１倍のスパークプラグにお
いても剥離率が２５％を超えてしまう。従って、チップ
６０の径方向断面の面積が２ｍｍ²以上でかつ７ｍｍ²以
下のスパークプラグにおいて、「チップとの最大部断面
積比」を１．５倍以下にした場合に、顕著な効果を得る
ことができる。

【００５２】次に、図９に示すような、溶融部７０がチ
ップ軸方向に沿って同一直径の円柱形状とされ、かつ溶
融部７０の最小直径φＤｍｉｎがチップ６０の直径φｄ
よりも小さいスパークプラグにおいて、溶融部７０の最
小断面積部（溶融部７０の最小直径φＤｍｉｎ部）の面
積とチップ６０の径方向断面の面積との比（以下、「チ
ップとの最小部断面積比」という）を種々変更して耐久
テストを行った。

【００５３】なお、図１０は、このテストに供したスパ
ークプラグの各最小直径φＤｍｉｎについて、「チップ
との最小部断面積比」を示す図表である。また、このテ
ストに供したスパークプラグの材質、構成および製造方
法は上記の検討例（最大直径φＤを種々変えたもの）と
同じである。

【００５４】また、耐久テストは、コージェネレーショ
ンエンジンを用いて、スロットル全開にてエンジン回転
数を１６００ｒｐｍに維持し、連続１０００時間の運転
を行った。また、耐久性は、図１１に示す消耗体積比に
て評価した。この消耗体積比は、各テスト品の耐久テス
トによるチップ６０の消耗体積を、従来品（図３（ｂ）
に示す形状のもの）の耐久テストによるチップ６０の消
耗体積で割った値である。

【００５５】図１１から明らかなように、「チップとの
最小部断面積比」は０．６倍以上であることが好まし
い。これは、０．６倍未満であると、チップ６０から母
材への熱引きが悪くなり、チップ温度が上昇してチップ
６０の消耗を増大させてしまうためである。よって、
０．６倍以上であれば、実用上十分な耐消耗性を確保す
ることができる。

【００５６】なお、図１２および図１３に示すように、
溶融部７０においてチップ軸方向の中間部が最小直径φ
Ｄｍｉｎとされたスパークプラグや、図１４に示すよう
に、溶融部７０において中心電極３０側が最小直径φＤ
ｍｉｎとされたスパークプラグにおいても、「チップと
の最小部断面積比」が０．６倍以上であれば、実用上十
分な耐消耗性を確保することができる。

【００５７】また、本実施形態では、より好ましい形態
として図１５に示すような構成を採用することができ
る。図１５において、中心電極（母材）３０には、中心
電極３０と溶融部７０との界面を起点として該先端面３
１と直交する方向へ長さＬ（形成長さＬ）にて、小断面
積部３３が形成されている。この小断面積部３３は、そ
の先端面３１に沿った断面がチップ６０の径方向断面の
面積に対して１．５倍以下になっている部分である。本
例では、小断面積部３３における先端面３１に沿った断
面は、溶融部７０の最大断面積部と同一の形状及び寸法
となっている。

【００５８】この小断面積部３３は、上記図３に示した
接合方法において、レーザ溶接後、溶融部７０ととも
に、溶融部７０と隣接する中心電極３０の部位を切削
（図１５中の破線部分）して中心電極３０の形状を調整
することにより、適切に形成することができる。中心電
極３０に小断面積部３３を形成することで、溶融部７０
に接する中心電極３０自身のサイズも小さくすることが
でき、熱応力をより低減することができる。また、小断
面積部３３の形成長さＬは２．０ｍｍ以内であることが
必要である。これは、次のような検討結果に基づくもの
である。

【００５９】小断面積部３３は、中心電極３０の他の部
位に比べて細い部位である。もし、形成長さＬが大きす
ぎると、中心電極３０が細くなって熱伝導性が悪化し、
中心電極３０において熱応力低減効果よりも温度上昇に
よる影響が大きくなる。その結果、溶融部７０への熱応
力が増大してしまうため、接合信頼性を確保しにくくな
る。

【００６０】この考えに基づいて、形成長さＬの適切な
範囲を実験検討により求めた。限定するものではない
が、その一例を図１６に示す。上記図４に示した検討例
と同様のチップ６０及び中心電極３０を用いて、且つ、
上記「チップとの最大部断面積比」を１．５（最大直径
φＤが２．９４ｍｍ）としたものについて、形成長さＬ
を種々変えた場合に、上記図４に示した検討例と同様に
して耐久テスト後の剥離率を求めた。

【００６１】図１６は、形成長さＬ（ｍｍ）と剥離率
（％）との関係を示すグラフである。これから、最も効
果を発揮するＬ寸法は１．０ｍｍであり、それを超える
と、中心電極３０において熱応力低減効果よりも温度上
昇による影響が大きくなり、結果として、溶融部７０へ
の熱応力が増大するため、剥離率が高くなっていく。よ
って、剥離率を２５％以下にするためには、形成長さＬ
は２ｍｍ以下であることが好ましい。

【００６２】また、上記した「溶融部とチップの同一形
状構成」を採用した場合でも、小断面積部３３による効
果は同様に発揮される。この場合の断面構成を図１７に
示す。図１７において、小断面積部として、先端面３１
に沿った断面が溶融部７０の断面と同一の形状及び寸法
となっている同一形状部３３ａが、２．０ｍｍ以内の形
成長さＬにて形成されている。

【００６３】つまり、図１７に示す様に、チップ６０、
溶融部７０及び同一形状部（小断面積部）３３ａは、こ
れら各部３３ａ、６０、７０に渡って均一な直径φｄを
有する円柱形状をなしている。それにより、中心電極３
０と溶融部７０との界面においても、エッジ部が存在し
ないため、「溶融部とチップの同一形状構成」の効果を
より高いレベルにて発揮するスパークプラグを提供する
ことができる。

【００６４】なお、図１５の例では、小断面積部３３に
おける反チップ側の端部を、先端面３１と平行な面の段
付状に形成したが、図１８に示すように小断面積部３３
における反チップ側端部にテーパ部３４も設けてもよい
し、あるいは、図１９に示すように小断面積部３３にお
ける反チップ側端部にＲ形状部３５を設けてもよい。そ
して、図１８および図１９の例においては、先端面３１
に沿った小断面積部３３の面積がチップ６０の径方向断
面の面積に対して１．５倍未満であるため、テーパ部３
４あるいはＲ形状部３５の途中部位までが形成長さＬの
範囲となる。

【００６５】また、本実施形態では、チップ６０を、レ
ーザ溶接により中心電極３０の先端面３１に固定された
ものとしている。レーザ溶接による溶融部の厚みは一般
に数百μｍ〜１ｍｍ程度であり、抵抗溶接による溶融部
の厚み（一般に１０〜数１０μｍ程度）と比べて厚くな
る。溶融部が厚いほど熱応力は低減できるが、本実施形
態により、更に、接合信頼性を向上させることができ
る。

【００６６】また、コージェネレーション等の熱負荷の
厳しいエンジンでは、通常用いられる円板状のチップと
しては、直径が２．４ｍｍ程度のものが最大である。チ
ップの径が大きいほど熱応力も大きくなるが、本実施形
態では、チップ６０の直径φｄが２．４ｍｍの場合にお
いて、効果を確認しており、実用サイズのスパークプラ
グにおいて接合信頼性を確保することができるといえ
る。

【００６７】（第２実施形態）上記第１実施形態では、
互いに対向して配置された中心電極３０及び接地電極４
０のうち中心電極３０を母材として、中心電極３０の先
端面３１に放電部材としてのチップ６０を溶接固定して
いたが、本実施形態は、接地電極４０にチップ６０を溶
接固定した場合でも、同様の構成とすることで、同様の
効果が得られることは勿論である。以下、第１実施形態
との相違点について主に説明する。

【００６８】図２０は、第２実施形態に係るスパークプ
ラグの要部を示す断面図であり、接地電極４０を母材と
して、その他端側の先端面（母材の一面）４２に、チッ
プ６０がレーザ溶接により固定されている。本例では、
チップ６０はＩｒ合金よりなる矩形板状であり、その一
端面にて、Ｎｉ基合金よりなる角柱状の接地電極４０に
おける先端面４２に接合されている。ここで、放電ギャ
ップ５０は、チップ６０の一面６１と中心電極３０の先
端面３１との隙間である。

【００６９】また、図２１及び図２２は、図２０中の接
地電極４０の他端側の構成について種々の例を示す拡大
図である。図２１中、（ａ）は第１の例の外観図、
（ｂ）は（ａ）中のＣ−Ｃ断面図、（ｃ）は第２の例の
外観図、（ｄ）は（ｃ）中のＤ−Ｄ断面図であり、図２
２中、（ａ）は第３の例の外観図、（ｂ）は（ａ）中の
Ｅ−Ｅ断面図、（ｃ）は第４の例の外観図、（ｄ）は
（ｃ）中のＦ−Ｆ断面図である。なお、これら図２１、
図２２中、外観図における溶融部７０の表面には識別の
ためハッチングを施してあり、断面図は上記図２０の断
面に対応している。

【００７０】本実施形態の第１〜第４の例において、チ
ップ６０と接地電極４０とが溶け合った溶融部７０は、
接地電極４０の先端面（母材の長手方向と直交する面）
４２に沿った断面をみたとき、溶融部７０の最大断面積
部の面積が、チップ６０のうち溶融部７０との界面に位
置する断面の面積に対して１．５倍以下になっている。
これら各例では、上記のチップ６０のうち溶融部７０と
の界面に位置する断面、及び、溶融部７０における接地
電極４０の先端面４２に沿った断面は、矩形状の断面で
ある。

【００７１】また、これら第１〜第４の例は、チップ６
０を接地電極４０の先端面４２へレーザ溶接した後、上
記同様に、溶融部７０及び接地電極４０を切削加工する
（図中の破線部が切削された部分）ことで形成されたも
のである。そのため、接地電極４０における切削された
部分には、上記第１実施形態における小断面積部と同様
の機能を有する小断面積部４３が形成される。

【００７２】ここで、第１〜第４の例は、互いに、接地
電極４０の切削部の形状を変えて、小断面積部４３の形
状を変えたものである。具体的には、第１の例のよう
に、接地電極４０の幅方向の両側を同一幅分、切削した
り、第２及び第３の例のようにテーパ状に切削したり、
あるいは、第４の例のように、接地電極４０の厚み方向
の両側を同一厚さ分、切削したりすることができる。

【００７３】各例において、小断面積部４３は、接地電
極４０と溶融部７０との界面を起点として先端面４２と
直交する方向へ、２．０ｍｍ以内の形成長さにて形成さ
れている。特に、第２及び第３の例のように、テーパ状
に切削した場合には、小断面積部４３に相当する部分
は、接地電極４０の先端面４２に沿った断面をみたと
き、チップ６０の断面積に対して１．５倍以下になって
いる部分までである。

【００７４】そして、本実施形態のスパークプラグにお
いても、上記第１実施形態と同様の作用効果を奏する。
また、上記第１実施形態における「溶融部とチップの同
一形状構成」、更には、上記同一形状部を有する構成に
ついても、本実施形態に適用可能であることは勿論であ
る。

【００７５】（他の実施形態）なお、上記第１及び第２
実施形態は、レーザ溶接によるチップと母材とを接合す
るものであり、溶融部サイズの大きいレーザ溶接に好適
な実施形態を提供できたが、この接合は抵抗溶接による
ものであっても良い。抵抗溶接による場合も、溶融部と
隣接する母材の形状、寸法等を上記実施形態に準じた構
成とすることで、熱負荷の厳しい環境で使用した場合で
もチップと母材との接合信頼性を確保できるようなスパ
ークプラグを提供することができる。

【００７６】また、チップ６０は中心及び接地電極３
０、４０の両方に溶接固定しても良い。また、各実施形
態において、チップ６０の形状は限定するものではな
く、その材質も限定されない。上記実施形態では、チッ
プ６０の材質を、母材３０、４０との線膨張係数の差が
大きいＩｒを５０ｗｔ％以上含む合金としているが、Ｐ
ｔまたはその合金等でも良い。また、接地電極４０とし
てはＮｉ合金以外にも、Ｆｅ合金等でも良い。

【００７７】また、母材３０、４０に対して上記の小断
面積部３３、４３や同一形状部３３ａを形成するにあた
っては、溶接後に切削加工する以外にも、溶接前に切削
加工して形成しても良い。また、切削加工ではなく、例
えば打ち抜き加工等にて、小断面積部や同一形状部を形
成しても良い。

【００７８】要するに、本発明は、中心電極及び接地電
極のうち少なくとも一方を母材として、この母材の一面
にチップを溶接固定してなるスパークプラグにおいて、
チップと母材との溶融部及びチップについて母材の一面
に沿った断面をみたとき、溶融部の最大断面積部の面積
が、チップのうち溶融部との界面に位置する断面の面積
に対して１．５倍以下になっていること、または、上記
の「溶融部とチップの同一形状構成」とすること、を要
部とするものであり、他の部分は適宜設計変更可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係るスパークプラグの
全体を示す半断面図である。

【図２】図１中の中心電極の先端部の拡大断面図であ
る。

【図３】中心電極とチップとの接合方法を示す工程図で
ある。

【図４】各最大直径φＤについて溶融部の最大断面積部
の面積とチップの径方向断面の面積との比（「チップと
の最大部断面積比」）を示す図表である。

【図５】剥離率を示す図である。

【図６】「チップとの最大部断面積比」と剥離率との関
係を示すグラフである。

【図７】非溶融領域Ｘがある中心電極の例を示す断面図
である。

【図８】チップ断面積と剥離率との関係を示すグラフで
ある。

【図９】溶融部の最小直径がチップの直径よりも小さい
中心電極の例を示す断面図である。

【図１０】各最小直径φＤｍｉｎについて、「チップと
の最小部断面積比」を示す図表である。

【図１１】「チップとの最小部断面積比」とチップの消
耗体積比との関係を示すグラフである。

【図１２】溶融部の最小直径がチップの直径よりも小さ
い中心電極の例を示す断面図である。

【図１３】溶融部の最小直径がチップの直径よりも小さ
い中心電極の例を示す断面図である。

【図１４】溶融部の最小直径がチップの直径よりも小さ
い中心電極の例を示す断面図である。

【図１５】中心電極に小断面積部を形成した例を示す断
面図である。

【図１６】小断面積部の形成長さＬと剥離率との関係を
示すグラフである。

【図１７】中心電極に小断面積部としての同一形状部を
形成した例を示す断面図である。

【図１８】中心電極に小断面積部を形成した例を示す断
面図である。

【図１９】中心電極に小断面積部を形成した例を示す断
面図である。

【図２０】本発明の第２実施形態に係るスパークプラグ
の要部を示す断面図である。

【図２１】図２０中の接地電極の他端側構成についての
第１及び第２の例を示す拡大図である。

【図２２】図２０中の接地電極の他端側構成についての
第３及び第４の例を示す拡大図である。

【符号の説明】

３０…中心電極、３１…中心電極の先端面、３３…中心
電極の小断面積部、３３ａ…同一形状部、４０…接地電
極、４２…接地電極の先端面、４３…接地電極の小断面
積部、６０…チップ、７０…溶融部。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに対向して配置された中心電極（３
   ０）及び接地電極（４０）のうち少なくとも一方を母材
   として、この母材の一面（３１、４２）に貴金属もしく
   はその合金よりなる放電部材としてのチップ（６０）を
   溶接により固定してなるスパークプラグにおいて、 前記チップと前記母材との溶融部（７０）及び前記チッ
   プについて前記母材の一面に沿った断面をみたとき、 前記溶融部の最大断面積部の面積が、前記チップのうち
   前記溶融部との界面に位置する断面の面積に対して１．
   ５倍以下であると共に、 前記チップのうち前記溶融部との界面に位置する断面の
   面積が２ｍｍ²以上でかつ７ｍｍ²以下であることを特徴
   とするスパークプラグ。
2. 【請求項２】 前記溶融部（７０）の最小断面積部の面
   積が、前記チップ（６０）のうち前記溶融部との界面に
   位置する断面の面積に対して０．６倍以上になっている
   ことを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。
3. 【請求項３】 前記母材（３０、４０）において、前記
   母材の一面（３１、４２）に沿った断面が前記チップ
   （６０）のうち前記溶融部（７０）との界面に位置する
   断面の面積に対して１．５倍以下になっている小断面積
   部（３３、４３）が、前記母材と前記溶融部との界面を
   起点として前記母材の一面と直交する方向へ２．０ｍｍ
   以内の長さにて形成されていることを特徴とする請求項
   １または２に記載のスパークプラグ。
4. 【請求項４】 互いに対向して配置された中心電極（３
   ０）及び接地電極（４０）のうち少なくとも一方を母材
   として、この母材の一面（３１、４２）に貴金属もしく
   はその合金よりなる放電部材としてのチップ（６０）を
   溶接により固定してなるスパークプラグにおいて、 前記チップと前記母材との溶融部（７０）及び前記チッ
   プについて前記母材の一面に沿った断面をみたとき、 前記溶融部の断面が、前記チップのうち前記溶融部との
   界面に位置する断面と実質的に同一の形状及び寸法であ
   ることを特徴とするスパークプラグ。
5. 【請求項５】 前記母材（３０、４０）において、前記
   母材の一面（３１、４２）に沿った断面が前記溶融部
   （７０）の断面と同一の形状及び寸法である同一形状部
   （３３ａ）が、前記母材と前記溶融部との界面を起点と
   して前記母材の一面と直交する方向へ２．０ｍｍ以内の
   長さにて形成されていることを特徴とする請求項４に記
   載のスパークプラグ。
6. 【請求項６】 前記チップ（６０）は、レーザ溶接によ
   り前記母材（３０、４０）の一面（３１、４２）に固定
   されたものであることを特徴とする請求項１ないし５の
   いずれか１つに記載のスパークプラグ。
7. 【請求項７】 前記チップ（６０）は、Ｉｒを５０ｗｔ
   ％以上含む合金よりなることを特徴とする請求項１ない
   し６のいずれか１つに記載のスパークプラグ。
8. 【請求項８】 中心電極（３０）及び接地電極（４０）
   のうち少なくとも一方を母材として、この母材の一面
   （３１、４２）に貴金属もしくはその合金よりなる放電
   部材としてのチップ（６０）を溶接により固定してなる
   スパークプラグを製造する方法であって、 前記母材の一面に前記チップを溶接した後、前記チップ
   と前記母材との溶融部（７０）を加工して前記溶融部の
   形状を調整することを特徴とするスパークプラグの製造
   方法。
9. 【請求項９】 前記チップと前記母材との溶融部（７
   ０）及び前記チップについて前記母材の一面に沿った断
   面をみたとき、 前記溶融部の最大断面積部の面積が、前記チップのうち
   前記溶融部との界面に位置する断面の面積に対して１．
   ５倍以下になるように、 前記溶融部（７０）を加工することを特徴とする請求項
   ８に記載のスパークプラグの製造方法。
10. 【請求項１０】 前記溶融部（７０）とともに、前記溶
    融部と隣接する前記母材（３０、４０）を加工して前記
    母材の形状を調整することを特徴とする請求項８または
    ９に記載のスパークプラグの製造方法。
11. 【請求項１１】 前記溶接をレーザ溶接法により行うこ
    とを特徴とする請求項８ないし１０のいずれか１つに記
    載のスパークプラグの製造方法。