JP6043564B2 - 内燃機関用点火プラグの製造方法 - Google Patents
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Description
近年、中心電極、又は、接地電極の少なくともいずれか一方に、耐熱性の高い貴金属チップを溶融固着することによって、耐久性の向上と、飛び火性、着火性の向上とを図っている。
このため、低負荷運転等、燃焼室内に発生する気流によって放電アークが引っ張られ、貴金属チップの溶接部を起点として放電する、いわゆる飛び火が起こり易い運転条件では、貴金属チップ溶接部において火花消耗する虞がある。
台座部の溶融が不十分で、溶接部に外径方向に膨らんだ凸部が存在すると、そこに電界集中が起こり、その部分を起点とした放電が起こり易くなり、貴金属チップに比べてさらに耐火花消耗性の低い溶接部での火花消耗を招く虞がある。
また、過剰なエネルギ照射により溶接部にエグレを生じた場合には、溶接部端縁において溶接ビートの局所的な盛り上がりを生じ、その部分に電界集中が起こり、溶接部での飛び火を誘発し、火花消耗を招く虞がある。さらに、エグレ部分が細くなるため、強度面での信頼性も低下する。
また、本発明の製造方法によって、貴金属チップ溶接部が内側に向かって滑らかに窪んだ凹面状の曲面に形成された内燃機関用点火プラグにおいて、絶縁碍子から露出する中心電極肩部と貴金属チップの先端までの距離を一定の範囲に規定することで、中心電極肩部における電界強度を抑制し、先端チップ溶接部を起点とする火花放電の発生を抑制できることが判明した。
さらに、中心電極肩部の傾斜角度を一定の範囲に規定することで、電界集中抑制の効果をより一層確実なものにすることができる。
中心電極先端部13が絶縁碍子2の先端部20から露出する部分には、先端に向かって所定の角度(θ1)で縮径する中心電極露出部傾斜面12が形成されている。
絶縁碍子先端部20は、図略の燃焼室に対向するように、ハウジング3の先端から露出している。
ハウジング3の先端側には略L字形に伸びる接地電極32が設けられ、接地電極32の中心電極1に対向する表面には接地電極側貴金属チップ30が溶接部31を介して固定されている。
図1Aに示すように、中心電極1の先端には、碍子先端部20から露出する中心電極先端部13には、先端側に向かって径小となるように縮径され、略円錐台形状をなす中心電極露出部傾斜面12が形成されている。
また、絶縁碍子先端部20の表面から中心電極先端部13と中心電極露出部傾斜面12との境界に位置する中心電極肩部C1までの距離(L4)は、0.2mm以下に設定されている。
台座部11の先端側には、略円柱状(φD10×L1)に形成された貴金属チップ10が配設され、必要に応じて、抵抗溶接等の仮止め手段によって固定される。
さらに、中心電極肩部C1から貴金属チップ10の先端までの距離(L−L4)は、1.35mm以上に設定されている。
台座部傾斜面T2の中心電極1の中心軸に垂直な平面に対する仰角θ2は、貴金属チップ10と溶接部110との境界面を先端側境界面P1とし、溶接部110と台座部11、又は、中心電極露出部傾斜面12との境界面を基端側境界面P2とし、台座部11の外周側面の全部又は一部が先端に向かって縮径するように先端側境界面P1と基端側境界面P2とを結ぶ直線に沿って、又は、この直線の外側にはみ出さない角度となるように形成されている。
溶接範囲ARWLDは、溶接部110を形成する位置におけるレーザ光LSRのビーム径によって決定され、50μm以上1000μm以下の範囲で適宜調整可能である。
さらに、例えば、溶接範囲ARWLDが0.6mmとなるようにレーザ光LSRを照射する場合、先端側境界面P1は、座部11と貴金属チップ10との当接境界面から先端側に向かって軸方向に0.3mm以下の範囲で適宜変更可能であり、基端側境界面P2は、台座部11と貴金属チップ10との当接境面から基端側に向かって軸方向に0.15mm以上0.45mm以下の範囲で適宜変更可能である。
より具体的には、レーザ光LSRは、図1Aに示すように、軸方向断面に対しては、先端側境界面P1と基端側境界面P2とを結ぶ直線で区画される台座部傾斜面T2に直交する法線方向のベクトル成分を含み、図1Bに示すように、径方向平面に対しては、レーザ光LSRの集光点FPと、中心電極10の中心軸を結ぶ直線に対して、周方向に所定の角度θωだけ傾けた方向のベクトル成分を含む方向から溶接領域ARWLDに向かって照射される。
溶接部110の形成は、中心電極1、又は、図略のレーザ溶接機を周方向に回転移動させながら、複数回に渡ってレーザ光LSRの照射をおこなって、貴金属チップ10の外周を取り囲むように溶接部110を形成する。
略平面状の台座部傾斜面T2にレーザ光が照射されるのでエネルギを吸収し易く、図1Cに示すように、溶接部110の表面は、先端に向かって縮径する略円錐台形状傾斜平面、又は、先端に向かって縮径しつつ、内側に向かって凸となるように窪んだ略円錐台形状傾斜湾曲面111を形成し、端側境界面P1と基端側境界面P2とを結ぶ直線の外側にはみ出すようなことがない。
図1Dは、本発明の実施例における溶接部の状態を示す図面代用写真である。
溶接部110の表面が滑らかに湾曲しているので、溶接部110での電界集中が起こり難くなり、その結果、溶接部110が放電の起点となることが抑制され、火花消耗の抑制を図ることができる。
なお、比較例1において、本発明の構成と対応する構成に対して同じ符号を用い、枝番としてzの符号を付したので、詳細な説明を省略し、本発明との相違点を中心に説明する。また、図2Aの中心線から左側には。レーザ光照射前の側面図を示し、右側には、レーザ光照射後の側面図を示してある(以下の説明においても適宜、同様の方法で図示してある)。
さらに、図中括弧内に表示した数値は実際に試料として用いたサンプルの大きさをミリ単位で示したものである。
台座部11zの側面に傾斜面T2が形成されていない点が本発明と大きく異なる。
このため、台座部11zに5mJのレーザ光を照射した場合、台座部11zの先端側外周端縁の稜線に当たることになる。
その結果、図2Aの右側に示すように、溶接部分110zの表面が部分的に膨らんだ突出部111zが形成される。これは、レーザ光LSRが台座部11zの先端側外周端縁の稜線において、回折、散乱を招き、台座部11zの溶融に十分なエネルギが吸収され難くなっているためと推察される。
図2Bは、実際の比較例1の溶接部の状態を示す図面代用写真である。
比較例1では、溶接部110zの表面に凸部111zが形成されるため、ここに電界集中し易くなり、溶接部110zを起点とした放電が起こり、火花消耗を招くことになる。
比較例2では、レーザ光LSRを照射したときに、台座部11yが十分に溶融して溶接部110zに凸部を形成しないように、台座部の高さL2yが、比較例1の半分(0.15mm)に形成され、さらに、照射するエネルギを10mJとした。
比較例2では、図3Aの右側に示すように、溶接部110yの表面は、内側に向かって窪んだ凹面状の湾曲面111yを形成するが、台座部110yの過剰な溶融を招き、中心に向かって大きく窪んだエグレを生じ、溶接部端縁112yにおいて溶接ビートの局所的な盛り上がりを生じる。
このため、盛り上がり部分に電界集中が起こり、溶接部110yでの飛び火を誘発し、火花消耗を招く虞がある。さらに、エグレ部分が細くなるため、強度面での信頼性も低下する。
上記第1の実施形態における内燃機関用点火プラグの製造方法によって形成した点火プラグ4を図略の内燃機関5のシリンダヘッド50に装着し、低負荷運転を行った場合、図4Aに示すように、燃焼室500内を流れる筒内気流TMBによって放電アークARKが長く引き伸ばされるが、中心電極1の先端にもうけた貴金属チップ10の先端と、接地電極32の中心電極1に対向する表面に設けた接地電極側貴金属チップ30の先端との間で放電が起こり、溶接部110の表面に飛び火することがない。
一方、比較例1の製造方法によって形成した点火プラグ4zを図略の内燃機関5zのシリンダヘッド50zに装着し、低負荷運転を行った場合、図4Aに示すように、中心電極1zの先端にもうけた貴金属チップ10zの溶接部110zの表面に残留する凸部111zと、接地電極32zの中心電極1zに対向する表面に設けた接地電極側貴金属チップ30zの先端との間で放電が起こるため、溶接部110zの火花消耗を招くことになる。
本実施例においては、貴金属チップ10の大きさ (φD10=0.6mm、L1=0.6mm)とし、中心電極露出部傾斜面T1の仰角(θ1=40°)、絶縁体20の表面から貴金属チップ10の先端迄の距離(L=1.55mm)とし、台座部11の側面に設ける台座部傾斜面T2の仰角(θ2)を変化させて溶接部を形成した。
台座部傾斜面T2の仰角(θ2)は、55°から70°の範囲において、図5A、5B、5Cの右側に示すように、何れの場合においても、上記実施形態と同様、溶接部110の表面は滑らかに湾曲し、先端に向かって縮径しつつ、内側に向かって凸となるように窪んだ略円錐台形状傾斜湾曲面111を形成し、端側境界面P1と基端側境界面P2とを結ぶ直線の外側にはみ出すようなことがない。
台座部傾斜面T2の仰角(θ2)が55°を下回る小さな角度で設けられると、最もエネルギ密度の高いレーザ光LSRの中心が台座部11の基端側の表面に照射されるため、局所的なエグレを生じたり、貴金属10の表面に伝達されるエネルギが小さくなり台座部11との合金層の形成が不十分と成ったりする虞がある。
上記実施形態においては、台座部11の外周表面の一部に台座部傾斜面T2を形成した例について説明したが、本実施形態においては、台座部11aと中心電極露出部傾斜面12との境界を基端側境界面P2として、台座部11aの外周面の全てが先端側に向かって縮径するように傾斜する台座部傾斜面T2を設けた点が相違する。
さらに、本実施形態においても、先端側境界面P1は、座部11a貴金属チップ10aとの当接境界面から先端側に向かって軸方向に0.3mm以下の範囲で適宜変更可能で、基端側境界面P2が、台座部11aと貴金属チップ10aとの当接境面から基端側に向かって軸方向に0.15mm以上0.45mm以下の範囲で適宜変更可能である。
比較例3として図7A、図7Bに示すように、台座部11bの高さL2bの調整により、先端側境界面P1と基端側境界面P2とを結ぶ直線から台座部11bが突出しない範囲で形成することにより傾斜面を設けなくても、先端に向かって縮径しつつ、内側に向かって凸となるように窪んだ略円錐台形状傾斜湾曲面111を形成し、端側境界面P1と基端側境界面P2とを結ぶ直線の外側にはみ出すようなことがないように溶接部を形成することは可能と考えられる。
しかし、図7Aに示すように、台座部11bのエッジ部分で、レーザ光LSRの散乱により、台座部11bが十分に溶融せず、比較例1と同様の角部が残留したり、図7Bに示すように、レーザ光LSRの中心が台座部11bの先端側エッジ部分よりも基端側の側面に照射されるので、比較例2と同様の局所的なエグレを生じたりする虞がある。
上記実施形態においては、中心電極露出部傾斜面12の仰角θ1を40°とした場合の例を示したが、図8A、8B、8Cに示すように、中心電極露出部傾斜面12の仰角θ1を40°から22.5°まで変化させたときに、溶接部110への横飛ぶ発生確率P(%)と、中心電極電界強度E(V/mm)を調査し、その結果をそれぞれ図9A、9Bに示す。
さらに、図9Bに示すように、中心電極露出部傾斜面12の円錐頂角が120°を超え、即ち、中心電極露出部傾斜面12の仰角θ1が、30°よりも小さい角度とすると、中心電極先端部13と中心電極露出部傾斜面12との境界に位置する中心電極肩部C1の電界強度が高くなることが判明した。
中心電極露出部傾斜面12の仰角θ1が、小さくなるほど、中心電極肩部C1の電界強度が高くなり、これに放電が引っ張られて、溶接部110の表面を起点とする放電が発生するためと推察される。
従って、中心電極1が絶縁碍子20から露出し、先端に向かって径小となる傾斜面12と、中心電極1の中心軸に垂直な平面とのなす中心電極露出部傾斜面仰角θ1が30°以上、即ち、中心電極露出部傾斜面12の円錐頂角が120°以下に設定するのが望ましいことが判る。
そこで、図8Dに示すように、中心電極露出部傾斜面12の仰角θ1を30°とする場合には、台座部傾斜面T2を、実施例3と同様に、台座部11と中心電極露出部傾斜面12との境界から形成するのが望ましい。
台座部傾斜面T2をこのように形成することにより、図8Dの右側に示すように、溶接部110の表面は、第2の肩部C2を形成することなく、略円錐台形状傾斜湾曲面111を形成しつつ、中心電極露出部傾斜面12と滑らかに連なった表面をするので、溶接部110の表面を起点とする飛び火を生じ難くなる。
上記実施形態においては、絶縁碍子20の表面から中心電極1が縮径する中心電極肩部C1までの距離L4を0.05mmとした例について説明したが、図10A、10B、10Cに示すように、この距離を0.5から0.05まで変化させたときの、溶接部110の表面を起点とする飛び火発生確率P(%)を計測し、その結果を図11に示す。
なお、上述の試験において放電部110の表面を起点とする飛び火の発生が起こり易いことが判明した、中心電極露出部傾斜面12の円錐頂角が135°に設定して、本試験を行った。
なお、いずれの試料においても、溶接部110の表面は、先端に向かって縮径しつつ、内側に向かって凸となるように窪んだ略円錐台形状傾斜湾曲面111を形成している。
このことから、中心電極1が絶縁碍子20から露出し、先端に向かって径小となる傾斜面12と、中心電極1の中心軸に垂直な平面とのなす中心電極露出部傾斜面仰角θ1が30°以上、即ち、中心電極露出部傾斜面12の円錐頂角が120°以下であるのが望ましいことが判明した。
10 貴金属チップ
11 台座部
110 溶接部
111 略円錐台形状傾斜湾曲面
12 中心電極露出部傾斜面
13 中心電極先端部
2 絶縁碍子
20 絶縁碍子先端部
21 貫通孔
3 ハウジング
30 接地電極側貴金属チップ
31 接地側溶接部
32 接地電極
4 内燃機関用点火プラグ
5 内燃機関
50 シリンダヘッド
500 燃焼室
LSR レーザ光
P1 先端側境界面
P2 基端側境界面
T2 台座部傾斜面
θ1 中心電極露出部傾斜面仰角
θ2 台座部傾斜面仰角
C1 中心電極肩部
Claims (4)
- 略柱状の中心電極(1)と、該中心電極(1)を内側に保持する貫通孔(22)を有する略筒状の絶縁碍子(2)と、該絶縁碍子(2)を内側に保持する略筒状のハウジング(3)と、上記中心電極(1)の先端に貴金属チップ(10)を配設すると共に、上記ハウジング(3)に延設して、上記貴金属チップ(10)と所定の放電ギャップを設けて対向する接地電極(32)とからなる内燃機関用の点火プラグの製造方法であって、
少なくとも、上記中心電極(1)の先端に略円柱状に突出する台座部(11)を設けて、該台座部(11)と上記貴金属チップ(10)との境界部にレーザ光(LSR)を照射して溶接部(110)を形成して上記貴金属チップ(10)を上記中心電極(1)の先端に固定する貴金属チップ溶接工程を具備し、
該貴金属チップ溶接工程において、
上記貴金属チップ(10)と上記溶接部(110)との境界面を先端側境界面(P1)とし、上記溶接部(110)と上記台座部(11)、又は、上記中心電極(1)の先端側で上記絶縁性碍子(2)の先端から露出し、先端側に向かって縮径する中心電極露出部傾斜面(12)との境界面を基端側境界面(P2)とし、
上記台座部(11)の外周側面の全部又は一部が先端に向かって縮径するように上記先端側境界面(P1)と上記基端側境界面(P2)とを結ぶ直線に沿って、又は、上記直線の外側にはみ出さないように、台座部傾斜面(T2)を設け、該台座部傾斜面(T2)にレーザ光を照射して上記溶接部(110)を形成することを特徴とする内燃機関用点火プラグの製造方法。 - 上記台座部傾斜面(T2)と上記中心電極(1)の中心軸に垂直な平面との仰角(θ2)が、55°以上70°以下である請求項1に記載の内燃機関用点火プラグの製造方法。
- 上記溶接部(110)を形成する位置におけるレーザ光のビーム径が50μm以上1000μm以下である請求項1又は2に記載の内燃機関用点火プラグの製造方法。
- 上記先端側境界面(P1)が、上記台座部(11)と上記貴金属チップ(10)との当接境界面から先端側に向かって軸方向に0.3mm以下の範囲にあり、
上記基端側境界面(P2)が、上記台座部(11)と上記貴金属チップ(10)との当接境界面から基端側に向かって軸方向に0.15mm以上0.45mm以下の範囲にある請求項1ないし3のいずれかに記載の内燃機関用点火プラグの製造方法。
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