JP4082881B2

JP4082881B2 - スパークプラグの製造方法

Info

Publication number: JP4082881B2
Application number: JP2001197304A
Authority: JP
Inventors: 明生佐倉; 伸一郎光松
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2021-06-28
Also published as: JP2003017214A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスパークプラグ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の点火用に使用されるスパークプラグにおいては、近年、耐火花消耗性向上のために、Ｎｉ基あるいはＦｅ基の耐熱合金で構成された中心電極の先端にＰｔやＩｒ等を主体とする貴金属チップを溶接して貴金属発火部を形成したタイプのものが使用されている。例えば接地電極と対向して火花放電ギャップを形成することになる中心電極の先端面に貴金属チップを接合する場合、その製造方法として、円柱状の貴金属チップを中心電極の先端面（チップ被固着面）に重ね合わせ、中心電極を回転させながら貴金属チップの外周に沿ってレーザー光を照射することにより、全周レーザー溶接部を形成する方法が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記全周レーザー溶接部を有したスパークプラグにおいては、レーザー溶接部の形成形態や精度に特に注意を払う必要がある。しかしながら、従来は、レーザー照射の条件等にもっぱら注意が向けられており、溶接強度や火花放電ギャップ調整の利便性、さらには発火部の寿命等を最適化する観点において、必ずしも十分な結果が得られていなかった。
【０００４】
本発明の課題は、溶接される貴金属チップと中心電極、さらには溶接後の発火部と中心電極との相対的な位置関係に着目して、発火部の接合強度や発火部寿命等を一層向上させることができるスパークプラグの構造およびその製造方法とを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記の課題を解決するために本発明のスパークプラグの製造方法は、円筒面状の外周面をなす本体部を有する中心電極と、
その中心電極の軸線方向における先端に全周レーザー溶接部を介して固着されるとともに、円筒面状の外周面を有する貴金属発火部と、
貴金属発火部の軸線方向における先端面に側面が対向する形で配置され、該貴金属発火部との間に火花放電ギャップを形成する接地電極とを備えたスパークプラグの製造方法であって、
中心電極の軸線方向における先端面に、円筒状の外周面を有する貴金属チップを、同軸度が０．１５ｍｍ以下となるように位置決めしつつ重ね合わせて重ね合わせ組立体を作るチップ位置決め工程と、
該重ね合わせ組立体に対し、上記中心電極の中心軸線に関する周方向にレーザービームを照射することにより、中心電極の先端面の形成部位と、貴金属チップとにまたがり、かつ貴金属チップの円筒状の外周面の先端側部分を残す形にて全周レーザー溶接部を形成する溶接工程とを含とを含み、
チップ位置決め工程において、中心電極の本体部の外周面に着脱可能に装着される装着部と、その装着部において前記本体部に装着されることにより、自身が保持する貴金属チップを本体部の前記外周面に対し同心的に位置決めする装着部と一体化されたチップ保持部とを有するチップ位置決め治具を使用することを特徴とする。
【０００７】
中心電極に、発火部となるべき貴金属チップをレーザー溶接により接合する場合、中心電極の先端面に貴金属チップを載置して、中心電極と貴金属チップとの境界面近傍において、レーザー光を周方向に相対移動させながら照射し、中心電極母材と貴金属チップとにまたがる全周溶接部を形成して接合を行なう。そして、レーザー溶接部により中心電極と貴金属チップとを接合したスパークプラグの性能や寿命に影響を及ぼす要因を種々検討したところ、各々円筒面状の貴金属チップの外周面と中心電極の本体をなす本体部外周面との同軸度により、レーザー溶接部による貴金属チップの接合状態が大きく変化することが判明した。そして、さらに鋭意検討を重ねた結果、該同軸度をある限界値以下、具体的には０．１５ｍｍ以下に留めることにより、溶接強度や、貴金属発火部の寿命や耐久性が劇的に改善されることを見出して、本発明のスパークプラグを完成するに至ったのである。
【０００８】
また、中心電極の本体部と貴金属チップとを上記のような同軸度にて接合した構造を得るには、本発明の方法のように、溶接前の段階で、同軸度が０．１５ｍｍ以下となるように中心電極本体部と貴金属チップとを位置決めし、その状態で全周レーザー溶接部を形成することが重要である。
【０００９】
同軸度が上記限界値を超えて大きくなった場合、貴金属チップの中心軸線が中心電極の中心軸線から偏心しているために、中心電極と貴金属チップとの境界面付近において、重ね合わせ組立体の周方向の熱容量分布も不均一となる。そのため、一定条件でレーザービームを照射しても、その熱容量分布の影響により、形成されるレーザー溶接部の深さ及び幅（軸線方向における溶接部の長さ）が不均一化しやすくなり、溶接強度の低下につながる。また、中心電極の先端に形成される発火部の中心軸線が中心電極の本体部の中心軸線から偏心することで、接地電極側の発火部に対する偏心も生じやすくなり、スパークプラグ使用時に発火部の偏摩耗等を招きやすくなる。さらに、中心軸線を挟む形でレーザー溶接部の深さや幅にアンバランスが生じると、発火部の中心軸線が中心電極の本体部の中心軸線に対して傾斜することもあり、この場合は偏摩耗等の不具合が一層生じやすくなる。
【００１０】
しかしながら、同軸度が０．１５ｍｍ以下となるように中心電極本体部と貴金属チップとを位置決めしてレーザー溶接を行なうことにより、得られる貴金属発火部と中心電極本体部との同軸度も０．１５ｍｍ以下とすることができ、これにより、上記のような不具合の発生をことごとく解決することが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図１に示す本発明の一例たるスパークプラグ１００は、筒状の主体金具１、先端部２１が突出するようにその主体金具１の内側に嵌め込まれた絶縁体２、先端に形成された貴金属発火部（以下、単に発火部ともいう）３１を突出させた状態で絶縁体２の内側に設けられた中心電極３、及び主体金具１に一端が溶接等により結合されるとともに他端側が側方に曲げ返されて、その側面が中心電極３の先端部と対向するように配置された接地電極４等を備えている。また、接地電極４には上記発火部３１に対向する貴金属発火部（以下、単に発火部ともいう）３２が形成されており、それら発火部３１と、対向する発火部３２との間の隙間が火花放電ギャップｇとされている。
【００１２】
なお本明細書でいう「発火部」とは、接合された貴金属チップのうち、溶接による組成変動の影響を受けていない部分（例えば、溶接により接地電極ないし中心電極の材料と合金化した部分を除く残余の部分）を指すものとする。また、「主成分」（「主に〜構成される」あるいは「主体に〜構成される」等も同義）とは、着目している材料中にて、最も重量含有率の高い成分を意味する。
【００１３】
絶縁体２は、例えばアルミナあるいは窒化アルミニウム等のセラミック焼結体により構成され、その内部には自身の軸方向に沿って中心電極３及び端子金具８を嵌め込むための孔部６を有している。また、主体金具１は、低炭素鋼等の金属により円筒状に形成されており、スパークプラグ１００のハウジングを構成するとともに、その外周面には、プラグ１００を図示しないエンジンブロックに取り付けるためのねじ部７が形成されている。
【００１４】
なお、対向する発火部３２については、これを省略する構成としてもよい。この場合には、発火部３１と、発火部を有さない接地電極４の側面との間に火花放電ギャップｇが形成されることとなる。中心電極３及び接地電極４のチップ被固着面形成部位、この実施例では少なくともその表層部がＮｉ又はＦｅを主成分とする耐熱合金（例えばINCONEL 600あるいはINCONEL 601：いずれも商標名）にて構成されている。一方、上記発火部３１及び対向する発火部３２は、Ｉｒ、Ｐｔ及びＲｈのいずれかを主成分とする貴金属を主体に構成されている。これらの貴金属の使用により、中心電極の温度が上昇しやすい環境下においても、発火部の耐消耗性を良好なものとすることができる。また、上記のような耐熱合金を母材とする中心電極３及び接地電極４に対する溶接性も良好である。例えばＰｔをベースにした貴金属を使用する場合には、Ｐｔ単体の他、Ｐｔ−Ｎｉ合金（例えばＰｔ−１〜３０質量％Ｎｉ合金）、Ｐｔ−Ｉｒ合金（例えばＰｔ−１〜２０質量％Ｉｒ合金）、Ｐｔ−Ｉｒ−Ｎｉ合金等を好適に使用できる。また、Ｉｒを主成分とするものとしては、Ｉｒ−Ｒｕ合金（例えばＩｒ−１〜３０質量％Ｒｕ合金）、Ｉｒ−Ｐｔ合金（例えばＩｒ−１〜１０質量％Ｐｔ合金）、Ｉｒ−Ｒｈ合金（例えばＩｒ−５〜２５質量％Ｒｈ合金）、Ｉｒ−Ｒｈ−Ｎｉ合金（例えば、Ｉｒ−１〜４０質量％Ｒｈ−０．５〜８質量％Ｎｉ合金）等を使用できる。なお、Ｉｒ系の貴金属材料を使用する場合には、元素周期律表の３Ａ族（いわゆる希土類元素）及び４Ａ族（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）に属する金属元素の酸化物（複合酸化物を含む）を０．１〜１５質量％の範囲内で含有させることができる。これにより、Ｉｒ成分の酸化・揮発を効果的に抑制でき、ひいては発火部の耐火花消耗性を良好なものとすることができる。上記酸化物としてはＹ_２Ｏ_３が好適に使用されるが、このほかにもＬａ_２Ｏ_３、ＴｈＯ_２、ＺｒＯ_２等を好ましく使用することができる。この場合、金属成分はＩｒ合金のほか、Ｉｒ単体を使用してもよい。
【００１５】
図１に示すように、中心電極３は、円筒面状の外周面をなす本体部３Ｍを有する（ここでは、段部３Ｊにより接続された径の異なる２つの同心的な円筒状面として形成されている）。図３（ａ）に示すように、貴金属発火部３１は、中心電極３の軸線Ｏ２の方向において、その先端に全周レーザー溶接部１０を介して固着されている。そして、中心電極３の本体部３Ｍの外周面３ｐと、貴金属発火部３１の外周面３１ｐとの同軸度が０．１５ｍｍ以下とされている。上記同軸度は、本体部３Ｍの外周面３ｐの中心軸線Ｏ２と、貴金属発火部３１の外周面３１ｐの中心軸線Ｏ１との隔たりδを反映したパラメータであり、その定義は、ＪＩＳ：Ｂ００２１の１８．１３．２に規定されたものを使用する。同軸度は、精度確保上、必要十分な数だけ設定した上記２つの外周面の軸直交断面において、その外形線形状を公知の形状プロファイル測定装置を用いて測定し、その形状プロファイルから算出することができるが、簡便な方法としては、図９（ａ）に示すように、発火部３１近傍の画像を撮影し、発火部３１の外周面３１ｐの外形線の位置を公知の画像解析的手法により決定し、外周面外形線と直交する検査線ＭＬを所定の間隔で複数設定するとともに、その外周面外形線との各交点ＥＰ１，ＥＰ２の座標を求める。他方、中心電極３の本体部３Ｍについて同様に外周面外形線を決定し、両外形線間に位置する各検査線ＭＬ２の中心点に対し直線回帰を行なう（例えば最小二乗法に基づく直線式で求める）ことで、外周面３ｐの中心軸線Ｏ２の位置を求める。そして、該中心軸線Ｏ２から、発火部３１側についてそれぞれ測定されたＥＰ１，ＥＰ２までの各距離の平均値をそれぞれＷ１，Ｗ２として、Ｏ１とＯ２との隔たりδ’を｜Ｗ１−Ｗ２｜／２として求める。そして、この測定を、中心電極３を軸線周りの種々の視角にて行い、δ’の測定値が最大となる視角での該δ′の値を、最終的な同軸度δとして算出する。
【００１６】
中心電極３側の発火部３１は、レーザー溶接を用いて形成される。図２（ａ）に示すように、中心電極３の先端面３ｓをチップ被固着面として、ここにチップ径Ｄ、チップ厚さＨの貴金属チップ３１'を重ね合わせて重ね合せ組立体１７０を作り、（ｂ）及び（ｃ）に示すように、その重ね合せ組立体１７０に対しレーザービームＬＢを照射して、貴金属チップ３１'とチップ被固着面とにまたがり、かつ貴金属チップ３１'の厚さ方向において放電面３１ａ（図１０参照）に到達しない全周レーザー溶接部１０をチップ外周面周方向に沿って形成する。他方、接地電極４側の発火部３２も同様に貴金属チップのレーザー溶接により形成できるが、該発火部３２については、例えばＰｔ系金属のような比較的低融点のものを使用する場合、抵抗溶接を用いてもよい。
【００１７】
重ね合わせ組立体１７０を作る際には、円筒面状の外周面３ｐをなす本体部３Ｍを有する中心電極３の軸線Ｏ２方向における先端面３ｓに、円筒状の外周面３１ｐ’を有する貴金属チップ３１’を、同軸度が０．１５ｍｍ以下となるように位置決めしつつ重ね合わせる（チップ位置決め工程）。そして、該重ね合わせ組立体１７０に対し、中心軸線Ｏ２に関する周方向にレーザービームＬＢを照射することにより、中心電極３の先端面３ｓの形成部位と、貴金属チップ３１’とにまたがり、かつ貴金属チップ３１’の円筒状の外周面３１ｐ’の先端側部分を残す形にて全周レーザー溶接部１０を形成する。
【００１８】
円筒面状の貴金属チップ３１’の外周面３１ｐ’と中心電極３の本体部３Ｍの外周面３ｐとの同軸度δにより、レーザー溶接部１０による発火部３１の接合状態は大きく影響を受ける。したがって、上記のように、該同軸度δを０．１５ｍｍ以下に留めることにより、発火部３１の溶接強度や、寿命ないし耐久性を大幅に改善することができる。しかしながら、同軸度δが０．１５ｍｍを超えて大きくなった場合、貴金属チップ３１’は、中心電極３の中心軸線Ｏ２に対して片側に寄った形で位置決めされるから、中心電極３と貴金属チップ３１との境界面付近において、重ね合わせ組立体１７０のレーザービーム照射部分の熱容量が周方向にて不均一となる。その結果、一定条件でレーザービームＬＢを照射しても、その熱容量分布の影響により、図４（ｂ）に示すように、形成されるレーザー溶接部１０の深さや幅（軸線Ｏ２方向における溶接部１０の幅）が不均一化しやすくなり、溶接強度の低下につながる。
【００１９】
具体的には、投影される中心軸線Ｏ１及びＯ２の距離が最大となる投影平面と平行で、かつ中心軸線Ｏ２を含む切断面により中心電極３を切断したときに、中心軸線Ｏ１の両側に現われる全周レーザー溶接部１０の２つの断面Ｓ１，Ｓ２のうち、中心軸線Ｏ１に対して貴金属発火部３１の中心軸線Ｏ２が偏心している側（及び／又は傾斜している側：後述）に位置するものを第一断面Ｓ１、他方の側に位置するものを第二断面Ｓ２として、中心軸線Ｏ１と直交する向きにおける第一断面Ｓ１の深さをＴ１、同じく第二断面Ｓ２の深さをＴ２として、Ｔ１＞Ｔ２となる形で、溶接部深さのアンバランスを生ずる。なお、本明細書において溶接部深さは、発火部３１の外周面から中心軸線Ｏ１と直交する向きに測定した各断面Ｓ１及びＳ２の発火部３１側への侵入距離をいう。また、中心軸線Ｏ２方向における第一断面Ｓ１の溶接幅をｄ１、同じく第二断面Ｓ２の溶接幅をｄ２として、ｄ１＞ｄ２となる形で、溶接幅にもアンバランスが生じる。
【００２０】
しかしながら、同軸度が０．１５ｍｍ以下となるように中心電極３の本体部３Ｍと貴金属チップ３１’とを位置決めしてレーザー溶接を行なうことにより、得られる貴金属発火部３１と本体部３Ｍとの同軸度も０．１５ｍｍ以下とすることができ、これにより、上記のような溶接部深さのアンバランスを解消することが可能となる。
【００２１】
また、貴金属発火部３１と本体部３Ｍとの同軸度が０．１５ｍｍを超えている場合、図５（ｂ）に示すように、本体部３Ｍと同軸的に位置合わせされる接地電極４側の貴金属発火部３２の中心軸線Ｏ３に対し、貴金属発火部３１が偏心して位置決めされるので、火花放電の発生位置に偏りを生じ、発火部、特に接地電極４側の発火部３２の消耗が発火面全体にわたって均一に生じにくくなる（以下、本明細書ではこれを「偏消耗」と称する）。その結果、局所消耗の進行により発火部の寿命が早期に尽きやすくなる。しかしながら、貴金属発火部３１と本体部３Ｍとの同軸度を０．１５ｍｍ以下となすことにより、このような偏消耗も生じにくい。
【００２２】
なお、本体部３Ｍの中心軸線Ｏ２と貴金属発火部３１の中心軸線Ｏ１との偏心は、図３（ａ）に示すように、Ｏ１／Ｏ２が平行にずれる要素以外にも、図３（ｂ）に示すように、Ｏ１／Ｏ２が傾斜形態にずれる要素を含む場合がある。このような傾斜を生じていると、例えば図６（ｂ）に示すように、中心電極３側の発火部３１の、傾斜方向における片側のエッジが接地電極４側の発火部３２に向けてせり上がり、火花放電ギャップｇが該位置で狭くなって偏消耗を招くことにつながる。
【００２３】
また、火花放電ギャップｇを形成する際の、以下のような工程上の不具合を招来する場合もある。すなわち、図６（ｃ）に示すように、火花放電ギャップｇは、ギャップ形成用の治具ＫＦを発火部３１の端面に対し側方から挿入・位置決めし、該治具ＫＦに向けて接地電極４に曲げ加工を施すことにより形成する方法が一般的である。しかし、貴金属発火部３１の中心軸線Ｏ１が傾斜していると、その傾斜によりせり上がった発火部３１の端面外周縁部に治具ＫＦが引っかかったり、曲げ加工時につぶれが生じやすくなったりする不具合につながる。
【００２４】
そこで、上記の傾斜を、図３（ｂ）に示すように、中心電極３の本体部３Ｍの中心軸線Ｏ２と平行な任意の仮想平面のうち、該仮想平面への正射影投影における、本体部３Ｍの外周面３ｐの中心軸線Ｏ２と、貴金属発火部３１の外周面３１ｐの中心軸線Ｏ１とのなす角度θが最も大きく現われるものを投影平面ＯＶＰとして採用したときの、当該投影平面ＯＶＰにおける角度θが５゜以下となるように小さくすることで、図６（ａ）に示すように、上記のような不具合を効果的に解消することができる。
【００２５】
なお、上記傾斜角度θの測定は、図９（ｂ）に示すように、発火部３１近傍の画像を撮影し、中心電極３の本体部３Ｍについて公知の画像解析的手法により外周面外形線を決定する。そして、外周面外形線と直交する検査線ＭＰ１を所定の間隔で複数設定するとともに、両外形線間に位置する各検査線ＭＰ１の中心点に対し直線回帰を行なうことで、外周面３ｐの中心軸線Ｏ２を求める。他方、発火部３１に対しては、上記中心軸線Ｏ２と発火部３１の放電面３１ｓとの交点Ｆ１を基準点とし、その基準点から予め設定された寸法だけ図中下側（中心電極３側）にシフトさせた所定区間Ｚの複数位置において、検査線ＭＰ２を所定の間隔で上記検査線ＭＰ１と平行な向きに複数設定するとともに、発火部３１の外形線間に位置する各検査線ＭＰ２の中心点に対し直線回帰を行なうことで、外周面３１ｐの中心軸線Ｏ１を求め、上記中心軸線Ｏ２との交差角度を求める。この測定を、中心電極３における軸線Ｏ２周りの種々の視角にて行い、交差角度の測定値が最大となる視角での該角度値を、最終的な傾斜角度θとして算出する。
【００２６】
以下、スパークプラグ１００の製造方法の具体例について説明する。
図２（ｂ）に示すように、該貴金属チップ３１と中心電極３との重ね合せ組立体１７０を、レーザー照射ユニット２００（図１０参照）の出射光学部に対しチップ３１’（中心電極３）の中心軸線Ｏ１（Ｏ２）の周りにおいて相対的に回転させながら、重ね合せ組立体１７０に向けて、パルス状のレーザービームＬＢのスポット内にチップ被固着面（この場合、中心電極３の先端面）とチップ外周面との交差縁Ｑが入り、かつチップ被固着面に対する照射角度φが−５゜〜＋６０゜の範囲（水平より上方側を＋とする；例えば＋４５゜）となるように照射する。この場合、組立体１７０又はレーザー照射ユニット２００の一方のみを回転させるようにしてもよいし、双方ともに（例えば互いに逆方向に）回転させることも可能である。
【００２７】
この場合、その回転速度は以下のように調整することが望ましい。まず、重ね合せ組立体１７０とレーザー照射ユニット２００との相対回転速度は、図２のようにレーザー照射ユニット２００を１つのみ使用する場合には、１０ｒｐｍ以上（望ましくは６０ｒｐｍ以上、さらに望ましくは１２０ｒｐｍ以上）とするのがよい。全周レーザー溶接を行なうためには、重ね合せ組立体１７０とレーザー照射ユニット２００とを最低１周分は相対回転させなければならないが、その相対回転速度が１０ｒｐｍ未満になると、１周分の溶接時間ひいては１個のスパークプラグを製造するためのピースタイムが長くなる問題がある。
【００２８】
また、レーザー溶接では、金属溶融部がレーザー照射を受けている位置に偏って生ずるので、例えばこのような溶融部が、貴金属チップ３１’の中心軸線Ｏ１に関して片側に、過剰に大きな体積で形成されると、当該側で貴金属チップ３１’は支えを失い、例えば回転による遠心力や貴金属チップ３１’の自重により溶融部がつぶれ、中心軸線Ｏ１の傾斜や偏りを生じやすくなる。そして、重ね合せ組立体１７０とレーザー照射ユニット２００との相対回転速度が１０ｒｐｍ未満になると、回転速度が遅いために、重ね合せ組立体１７０の周方向に連なって形成される単位溶接部同士の重なりが大きくなり、レーザー照射位置付近に偏って生ずる金属溶融部の体積も過度に増大しやすくなる。その結果、中心軸線Ｏ１の傾斜や偏りが顕著となり、得られる発火部３１と本体部３Ｍとの同軸度δを０．１５ｍｍ以下に留めることが困難となる。他方、上記相対回転速度の上限値については、重ね合せ組立体１７０を回転させる場合、溶接時に生ずる金属溶融部の遠心力による過度の変形を防止するために、１５０ｒｐｍ程度に留めるのがよい。
【００２９】
また、上記同軸度δを０．１５ｍｍ以下とするためには、以下のような手法を用いることが望ましい。まず、チップ位置決め工程においては、図７（ａ）に示すように、中心電極３の本体部３Ｍの外周面３ｐに着脱可能に装着される装着部５０ｅと、その装着部５０ｅにおいて本体部３Ｍに装着されることにより、自身が保持する貴金属チップ３１’を本体部３Ｍの外周面３ｐに対し同心的に位置決めするチップ保持部５０ｈとを有するチップ位置決め治具５０を使用する。すなわち、装着部５０ｅにおいて治具５０を本体部３Ｍに装着することで、中心電極３の本体部３Ｍの外周面３ｐを軸合わせの基準として使用することができ、治具５０のチップ保持部５０ｈに保持された貴金属チップ３１’の中心軸線Ｏ１を、本体部３Ｍの中心軸線Ｏ２に対し、同軸度０．１５ｍｍの公差内にて正確かつ簡便に位置決めすることが可能となる。
【００３０】
具体的には、チップ位置決め治具５０の装着部５０ｅは、本体部３Ｍの外周面３ｐに倣う円筒面状の装着面５０ｂにおいて本体部３Ｍに装着されるものとすることができる。他方、チップ保持部５０ｈは、装着面５０ｂと同心的に形成された円筒面状のチップ保持面５０ａにおいて貴金属チップ３１’の外周面３１ｐ’を保持するものとすることができる。円筒面状の装着面５０ｂ及びチップ保持面５０ａを用いることで、貴金属チップ３１’の中心軸線Ｏ１と、本体部３Ｍの中心軸線Ｏ２との同軸的位置合わせをより精度よく行なうことができる。この場合、装着面５０ｂ及びチップ保持面５０ａが、貴金属チップ３１’の保持状態において、同軸度０．１５ｍｍ以下の精度にて形成されていなければならないことはいうまでもない。また、ここでいう「円筒面状」とは、貴金属チップ３１’あるいは本体部３Ｍの各外周面３１ｐ及び３ｐの周方向の一部区間のみカバーする形態も概念として含む。
【００３１】
本実施形態では、チップ位置決め治具５０を以下のように機能するものとして構成している。すなわち、図７（ｂ）に示すように、貴金属チップ３１’の外周面３１ｐ’周方向に沿って複数配置される、チップ位置決め治具５０は、各々該外周面３１ｐ’に対し半径方向に接近・離間可能な複数のチップ把持部材４９を備える。そして、それらチップ把持部材４９の把持面５０ａがそれぞれチップ保持面５０ａを構成し、中心電極３の先端面３ｓ上に、貴金属チップ３１’を位置決め配置して把持解除することにより、重ね合わせ組立体１７０を形成する。このとき、軸線Ｏ２方向において各チップ把持部材４９の後方側には、中心電極３の本体部３Ｍの外周面３ｐに対向する側に、円筒面状のガイド面５０ｂが、装着面５０ｂとして形成されている。まず、中心電極３の本体部３Ｍは、図示しない保持具により、中心軸線Ｏ１と直交する向きに遊動可能に保持しておく。そして、チップ位置決め治具５０は、把持した貴金属チップ３１’に対し中心電極３の先端部を軸線Ｏ１方向後方側から相対的に接近させる（ここでは、治具５０を下降させて、貴金属チップ３１’を中心電極３の先端部に向けて接近させる）ことにより、チップ３１’を先端面３ｓ上に載置する。このとき、中心電極３の本体部３Ｍは、円筒面状のガイド面５０ｂ内に進入するが、該ガイド面５０ｂは貴金属チップ３１’に対し本体部３Ｍを同心的に位置決めしつつガイドする役割を果たす。すなわち、貴金属チップ３１’に対して本体部３Ｍが偏心して位置している場合は、ガイド面５０ｂ内への進入に伴い、本体部３Ｍが軸線と直交する向きに遊動し、偏心矯正を行なうことができる。
【００３２】
なお、図８に示すように、本体部３Ｍとチップ３１’との同軸位置決め用の装着部を特に有さないチップ位置決め治具５５を用いてもよいが、この場合は、チップ位置決め治具５５と本体部３Ｍとを、軸合わせ方向において任意位置に位置決め可能な形で相対移動させるための機構（例えば本体部３Ｍを軸線Ｏ２と直交する向きに移動させるＸ−Ｙテーブルなど）が新たに必要となる。この点において、図７の軸合わせ機構ははるかに簡便であるといえる。
【００３３】
また、レーザー溶接を行なう際には、金属溶融部の体積が一時的に過度に大きくなることでチップ偏心を招く不具合を抑制するために、以下のような手法を採用することがより有効である。すなわち、図２（ｂ）に示すように、重ね合せ組立体１７０に対しレーザービームパルスＬＢを照射することにより、全周溶接部１０を、各レーザービームパルスＬＢに対応する単位溶接部１０ｕが順次重ね連なる形となるように形成する。このとき、図１１に示すように、周方向に連続した全周溶接部１０を完成させるために、単位溶接部配列の端部間接続を行なう配列接続用溶接重なり部ＬＰＷが形成される。この配列接続用溶接重なり部ＬＰＷにおいては、単位溶接部１０ｕの重複形成数が他の部分よりも多くなるので、それら重複して形成される単位溶接部１０１〜１０３，１１０〜１１２の少なくとも１のものについて、これを形成する際に用いる１パルス当りのレーザー照射エネルギーを、その他の単位溶接部を形成する際に用いる１パルス当りのレーザー照射エネルギーよりも低く設定する。このようにすると、配列接続用溶接重なり部ＬＰＷにおいてレーザービームによる全入熱量が過剰となることが抑制され、金属溶融部の体積の過大化ひいては形成される発火部３１の偏心を効果的に抑制することができる。
【００３４】
例えば、図１０に示すように、重ね合せ組立体１７０を中心電極３の中心軸線Ｏ２の回りに回転させつつ、位置固定された単一のレーザー照射ユニット２００からパルス状レーザー光ＬＢを照射すると、貴金属チップ３１’の周方向において、貴金属チップ３１’とチップ固着面形成部位とにまたがり、かつ各レーザー照射パルスＰ1、Ｐ2・・・・・・に対応する単位溶接部１０１、１０２・・・・・・が順次重ね連なるようにして全周レーザー溶接部１０が形成される（図１０（ｂ）〜（ｄ）参照）。
【００３５】
例えば、パルス状レーザー光ＬＢのパルス発生周波数ｆが１２パルス／秒（、重ね合せ組立体１７０の回転速度が６０ｒｐｍとすると、重ね合せ組立体１７０の１回転につきちょうど１２パルス分のパルス状レーザー光ＬＢが照射され、これに対応する１２個の単位溶接部１０１〜１１２が貴金属チップ３１’の周方向に順次重ね連なる形で形成される。これら１２個の単位溶接部１０１〜１１２の周方向における重なり状態は、一般的に図１１のようになる。先頭溶接部１０ｔ（図１０では１０１〜１０３）と末尾溶接部１０ｅ（図１０では１１０〜１１２）とを除くその他の溶接部では、単位溶接部が形成される際に既に形成された単位溶接部との重なり数（以下、既成単位溶接部との重なり数という）は自身の直前に形成された３個である（例えば、第４番目の単位溶接部１０４では、１０１〜１０３の３個）。
【００３６】
一方、末尾溶接部１０ｅでは、既成単位溶接部との重なり数は４個以上に増加する。例えば、最後尾の第１２番目の単位溶接部１１２の場合、自身の直前に形成された１０９〜１１１の３個の他、当初に形成された先頭溶接部１０ｔの３個（１０１〜１０３）とも重なり合うことになるので、既成単位溶接部との重なり数は合計６個となる。同様に、第１１番目の単位溶接部１１１における既成単位溶接部との重なり数は５個、第１０番目の単位溶接部１１０における既成単位溶接部との重なり数は４個となる。なお、先頭溶接部１０ｔ（１０１〜１０３）の場合、既成単位溶接部との重なり数は０〜２個であるが、上記の通り末尾溶接部１０ｅが形成される際にこれと重なり合うことになる。
【００３７】
そして、先頭溶接部１０ｔを形成したときの入熱が、重ね合せ組立体１７０を１周回転する間に十分に熱引きされない場合、末尾溶接部１０ｅを形成するためのパルス状レーザー光ＬＢの照射時点においても、先頭溶接部１０ｔを形成したときの入熱の一部が残留熱として存在する。そこで、例えば、末尾溶接部１０ｅを形成するためのレーザー照射エネルギー（末尾溶接部１０ｅのための新規入熱）にこの残留熱が重畳されても溶融金属の発生量が過剰とならないように、末尾溶接部１０ｅを形成する際に用いる１パルス当たりのレーザー照射エネルギー（以下、補正照射エネルギーという）Ｅｈを、上記通常照射エネルギーＥｔよりも低く設定する（図１０（ａ）参照）。これにより、各単位溶接部を形成する際の新規入熱と残留熱とを合わせた全熱量（トータルエネルギー）の均一化を図ることができるのである。
【００３８】
次に、重ね合わせ組立体１７０において、貴金属チップ３１’を中心電極３の先端面３ｓに軸線Ｏ１方向に押し付けながら全周レーザー溶接部１０を形成することが、溶接部形成中における貴金属チップ３１’の位置ずれひいては偏心を防止する上で有効である。この場合、例えば、図１２（ａ）に示すような、先端ＴＰ１にて点接触形態となる治具ＪＧ１を用いて押し付けを行なうことも可能であるが、図１２（ｂ）に示すように、該押し付けを、貴金属チップ３１’の、中心電極３への重ね合わせ側と反対側の面３１ｓ’に対し面接触形態にて接触する押付治具ＪＧ２（ここでは円柱状の治具ＪＧ２の先端面ＴＰ２にて面接触状態を実現している）を用いて行なうことが、貴金属チップ３１’位置ずれ防止効果を高める上でより望ましい。
【００３９】
【実施例】
本発明の効果を確認するために、以下の試験を行った。まず、INCONEL 600を用い、図２に示す形状の中心電極３を作製した。ただし、図２（ａ）において、本体部３Ｍの外径Ｄ1を２．５ｍｍ、先端面３ｓの直径Ｄ2を１．３ｍｍ、テーパ面３ｔのテーパ角度を４５°とした。他方、合金溶解／圧延により作製したＩｒ−５ｗｔ％Ｐｔ合金板からの打抜き加工により、チップ厚さＨが０．６ｍｍ、チップ径Ｄが０．８ｍｍの貴金属チップを作製した。次に、図１０（ａ）のレーザー照射強度線図において、パルス幅ｔを６ミリ秒に設定し、１パルス当りの照射エネルギーを後述する表１に示す試験No.毎の溶け込み深さとなるように適宜調整したパルス状ＹＡＧレーザー光ＬＢを、パルス周波数ｆが１２ｐｐｓ（周期τ＝１０００／１２ミリ秒）にて中心電極３上に組み立てられた貴金属チップ３１’の外周面に沿って照射し、貴金属チップ３１’の周方向にて全周レーザー溶接部１０を形成し、さらに、必要な他の部品を組み立てて、図１に示すスパークプラグの試験品を作成した。なお、末尾部のレーザーパルスＬＢの強度は、図１０（ａ）に示すように所定の比率にて段階的に減少させている。また、貴金属チップ３１’は、図７の治具５０を用いて本体部３Ｍに位置合わせするとともに、チップ３１’の把持面５０ａとガイド面５０ｂとの形成同軸度を種々に異ならせた治具を用いることにより、貴金属チップ３１’の中心軸線Ｏ１と本体部３Ｍの中心軸線Ｏ２との同軸度を、表１に示す０．０５〜０．２５ｍｍの種々の値にて変化させた。また、溶接後において、すでに説明した方法により発火部３１と本体部３Ｍとの同軸度を測定したところ、位置決め時の同軸度と略同じになっていることがわかった。さらに、傾斜角度θの測定も同様に行い、その測定結果を表１に合わせて示してある（なお、各条件とも試験品数ｎは３としている）。
【００４０】
【表１】

【００４１】
上記スパークプラグ試験品を、２０００ｃｃのエンジンに取り付けて、エンジン回転数６５００ｒｐｍ、スロットル全開状態にて実機耐久試験を行った。そして試験１００時間終了後において、発火部３１に剥離が認められなかったものを溶接強度良好（○）、そうでなかったものを溶接強度不良（×）として評価した。また、１００時間経過時点において失火が発生しなかったものを耐久性良好（○）、そうでなかったものを耐久性不良（×）として評価した。該結果を表１に示す。この結果からも明らかな通り、同軸度δが０．１５ｍｍ以下、傾き角度θが５゜以下の試験品において、溶接強度及び耐久性のいずれも良好であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスパークプラグの一実施例を示す縦断面図及びその要部拡大図。
【図２】図１のスパークプラグの、中心電極側発火部の製造工程説明図。
【図３】同軸度δと傾斜角度θの説明図。
【図４】発火部偏心の溶接部深さに及ぼす影響を示す説明図。
【図５】偏心により発火部に偏消耗が発生する様子を説明する図。
【図６】傾斜により発火部に生ずる不具合を総合的に説明する図。
【図７】貴金属チップの位置合わせ治具の一実施例をその使用方法とともに示す説明図。
【図８】貴金属チップの位置合わせ治具の別実施例をその使用方法とともに示す説明図。
【図９】同軸度と傾斜角度の測定方法の概念説明図。
【図１０】レーザー照射強度線図並びにスパークプラグの中心電極先端部の拡大斜視図、平面模式図及び縦断面図。
【図１１】貴金属チップ及び全周レーザー溶接部を円周方向に展開して示す説明図。
【図１２】レーザー溶接時に使用する貴金属チップの押さえ治具の実施例をいくつか示す斜視図。

Claims

円筒面状の外周面（３ｐ）をなす本体部（３Ｍ）を有する中心電極（３）と、
その中心電極（３）の前記本体部（３Ｍ）の軸線（Ｏ２）方向における先端に全周レーザー溶接部（１０）を介して固着されるとともに、円筒面状の外周面（３１ｐ）を有する貴金属発火部（３１）と、
前記貴金属発火部（３１）の軸線（Ｏ１）方向における先端面に側面が対向する形で配置され、該貴金属発火部（３１）との間に火花放電ギャップ（ｇ）を形成する接地電極（４）とを備えたスパークプラグ（１００）の製造方法であって、
前記中心電極（３）の中心軸線（Ｏ２）方向における先端面（３ｓ）に、円筒状の外周面（３１ｐ’）を有する貴金属チップ（３１’）を、前記本体部（３Ｍ）の外周面（３ｐ）と前記貴金属チップ（３１’）の外周面（３１ｐ’）との同軸度が０．１５ｍｍ以下となるように位置決めしつつ重ね合わせて重ね合わせ組立体（１７０）を作るチップ位置決め工程と、
該重ね合わせ組立体（１７０）に対し、前記中心電極（３）の中心軸線（Ｏ２）に関する周方向にレーザービーム（ＬＢ）を照射することにより、前記中心電極（３）の先端面（３ｓ）の形成部位と、前記貴金属チップ（３１’）とにまたがり、かつ前記貴金属チップ（３１’）の円筒状の外周面（３１ｐ’）の先端側部分を残す形にて全周レーザー溶接部（１０）を形成する溶接工程とを含み、
前記チップ位置決め工程において、前記中心電極（３）の前記本体部（３Ｍ）の外周面（３ｐ）に着脱可能に装着される装着部（５０ｅ）と、その装着部（５０ｅ）において前記本体部（３Ｍ）に装着されることにより、自身が保持する前記貴金属チップ（３１’）を前記本体部（３Ｍ）の前記外周面（３ｐ）に対し同心的に位置決めする前記装着部（５０ｅ）と一体化されたチップ保持部（５０ｈ）とを有するチップ位置決め治具（５０）を使用することを特徴とするスパークプラグ（１００）の製造方法。
前記チップ位置決め治具（５０）の前記装着部（５０ｅ）は、前記本体部（３Ｍ）の外周面（３ｐ）に倣う円筒面状の装着面（５０ｂ）において前記本体部（３Ｍ）に装着される一方、前記チップ保持部（５０ｈ）は、前記装着面（５０ｂ）と同心的に形成された円筒面状のチップ保持面（５０ａ）において前記貴金属チップ（３１’）の外周面（３１ｐ’）を保持するものであることを特徴とする請求項１記載のスパークプラグ（１００）の製造方法。
前記チップ位置決め治具（５０）は、前記貴金属チップ（３１’）の外周面（３１ｐ’）周方向に沿って複数配置される、各々該外周面（３１ｐ’）に対し半径方向に接近・離間可能な複数のチップ把持部材（４９）を備え、それらチップ把持部材（４９）の把持面（５０ａ）がそれぞれ前記チップ保持面（５０ａ）を構成するとともに、前記中心軸線（Ｏ２）と直交する向きに遊動可能に保持された前記中心電極（３）の先端面（３ｓ）上に、前記貴金属チップ（３１’）を位置決め配置して把持解除することにより、前記重ね合わせ組立体（１７０）を形成するものであり、かつ、前記貴金属チップ（３１’）の軸線（Ｏ１）方向において各チップ把持部材（４９）の後方側には、前記中心電極（３）の前記本体部（３Ｍ）の外周面（３ｐ）に対向する側に、把持した貴金属チップ（３１’）に対し前記中心電極（３）の前記先端部（３ｓ）を軸線（Ｏ１）方向後方側から相対的に接近させる際に、前記中心電極（３）の前記本体部（３Ｍ）を、前記貴金属チップ（３１’）に対し同心的に位置決めしつつガイドする円筒面状のガイド面（５０ｂ）が、前記装着面（５０ｂ）として形成されていることを特徴とする請求項２記載のスパークプラグ（１００）の製造方法。
前記重ね合せ組立体（１７０）に対しレーザービームパルス（ＬＢ）を照射することにより、前記全周溶接部（１０）を、各レーザービームパルス（ＬＢ）に対応する単位溶接部（１０ｕ）が順次重ね連なる形となるように形成するとともに、
周方向に連続した全周溶接部（１０）を完成させるための、単位溶接部配列の端部間接続を行なう配列接続用溶接重なり部（ＬＰＷ）が形成され、該配列接続用溶接重なり部（ＬＰＷ）にて重複して形成される単位溶接部（１０１〜１０３，１１０〜１１２）の少なくとも１のものについて、これを形成する際に用いる１パルス当りのレーザー照射エネルギーを、その他の単位溶接部を形成する際に用いる１パルス当りのレーザー照射エネルギーよりも低く設定することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のスパークプラグ（１００）の製造方法。
前記重ね合わせ組立体（１７０）において、前記貴金属チップ（３１’）を前記中心電極（３）の先端面（３ｓ）に前記軸線（Ｏ１）方向に押し付けながら前記全周レーザー溶接部（１０）を形成するとともに、該押し付けを、前記貴金属チップ（３１’）の、前記中心電極（３ｓ）への重ね合わせ側と反対側の面（３１ｓ’）に対し面接触形態にて接触する押付治具（ＪＧ２）を用いて行なうことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のスパークプラグ（１００）の製造方法。