(57)【要約】【課題】  スパークプラグの中心電極の先端に溶接される貴金属製のチップの溶接性を改善する製造方法を提供する。【解決手段】  中心電極５は、芯部５Ａ、本体部５Ｂ、中間部５Ｃを有し、中間部５Ｃの先端に貴金属チップ３１が溶接される。中心電極５を製造する際には、中心電極５の前駆体である芯部前駆体５Ａ'と本体部前駆体５Ｂ'と中間部前駆体５Ｃ'とが塑性加工によって一体化せしめられた後に、当該中間部前駆体３Ｃ'の先端に貴金属チップ３１が溶接される。【選択図】図２
2011100575.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自身の先端部に貴金属製のチップを有する中心電極を備えるスパークプラグ用中心電極の製造方法であって、
カップ形状をなし主成分としてＮｉを９０重量％以上含有してなる本体部前駆体と、当該本体部前駆体の内部に当該本体部前駆体よりも熱伝導に優れる材料からなる芯部を嵌合させ、前記本体部前駆体の底面の、前記芯部の嵌合される側とは反対側に前記本体部前駆体よりもＮｉ含有量の少ないＮｉを主成分とする合金からなる中間部前駆体を配し、前記本体部前駆体と前記芯部と前記中間部前駆体の３部材を塑性加工によって一体にして中心電極前駆体を成形する一体化工程と、
前記中心電極前駆体の中間部前駆体に前記貴金属製のチップを溶接するチップ溶接工程と、
を有することを特徴とするスパークプラグ用中心電極の製造方法。
【請求項２】
前記一体化工程では、前記中間部前駆体の前記本体部前駆体側の接合面が、前記中心電極前駆体の軸心を通る断面でみたときに弧状をなすように形成すること
を特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ用中心電極の製造方法。
【請求項３】
前記中心電極本体部と前記中間部との熱伝導係数の差が常温で８Ｗ・ｍＫ以上であること
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用中心電極の製造方法。
【請求項４】
前記中間部はＮｉを５０重量％以上８０重量％以下含有すること
を特徴とする請求項に１ないし３のいずれか１項に記載のスパークプラグ用中心電極の製造方法。
【請求項５】
前記中間部はＦｅ，Ｃｒから選ばれる溶接性改善成分を含有すること
を特徴とする請求項に１ないし４のいずれか１項に記載のスパークプラグ用中心電極の製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の前記中心電極を使用してスパークプラグを形成すること
を特徴とするスパークプラグの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は中心電極の先端に貴金属製のチップを備えるスパークプラグに使用される中心電極の製造方法、およびそのスパークプラグの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スパークプラグには耐久性に優れることが望まれ、火花放電を発生させる中心電極の先端部に貴金属製のチップ（以下、単にチップともいう）を配した構成が採用されている。この構成は、火花放電によって電極が消耗してしまうことに対し、耐火花消耗性に優れる材料をチップとして採用する思想から構成に基づくものである。
【０００３】
ところで、電極の耐火花消耗性を向上させるためには当該電極の熱引き性を向上させることも有効な手段として知られている。スパークプラグの電極材料として用いられる合金はinconel（インコネル：登録商標）をはじめとするＮｉを主成分とする合金が用いられている。このような合金の熱引き性を向上させる目的でＮｉの含有量を増加させた材料が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような材料により形成した電極を用いた際にも、その火花放電の起点となる先端部にはチップを配することが言及されている。また、熱引き性の向上のためには、外表面を構成するＮｉ合金よりも熱伝導性に優れるＣｕやその合金からなる芯部を備えることがより望ましいとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２０６９３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、実際にＮｉの含有量を増加させた材料を用いてスパークプラグを作製しても所期の耐久性に優れたものとはならないことがあることが確認された。その原因を精査したところ、チップが電極から剥離しかかり両者間に隙間を生じ、チップの熱引き性が悪化して消耗が進んでしまったり、チップ自体が電極から脱落してしまったりする等の問題があることが判明した。この問題を解消するために、チップを溶接する際の条件を種々検討したが、根本的な問題は解消するには至らなかった。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題の根本的な原因を解消して溶接性を改善し、上記剥離や脱落を防止した中心電極の製造方法、およびそれを用いたスパークプラグの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
その解決手段の第１の構成は、
自身の先端部に貴金属製のチップを有する中心電極を備えるスパークプラグ用中心電極の製造方法であって、
カップ形状をなし主成分としてＮｉを９０重量％以上含有してなる本体部前駆体と、当該本体部前駆体の内部に当該本体部前駆体よりも熱伝導に優れる材料からなる芯部を嵌合させ、前記本体部前駆体の底面の、前記芯部の嵌合される側とは反対側に前記本体部前駆体よりもＮｉ含有量の少ないＮｉを主成分とする合金からなる中間部前駆体を配し、前記本体部前駆体と前記芯部と前記中間部前駆体の３部材を塑性加工によって一体にして中心電極前駆体を成形する一体化工程と、
前記中心電極前駆体の中間部前駆体に前記貴金属製のチップを溶接するチップ溶接工程と、を有してスパークプラグ用中心電極を製造することにある。
【０００８】
また、解決手段の第２の構成は、
前記一体化工程では、前記中間部前駆体の前記本体部前駆体側の接合面が、前記中心電極前駆体の軸心を通る断面でみたときに弧状をなすように形成することを特徴とする。
【０００９】
また、解決手段の第３の構成は、
前記中心電極本体部と前記中間部との熱伝導係数の差が常温で８Ｗ・ｍＫ以上であることを特徴とする。
【００１０】
また、解決手段の第４の構成は、
前記中間部はＮｉを５０重量％以上８０重量％以下含有することを特徴とする。
【００１１】
また、解決手段の第５の構成は、
前記中間部はＦｅ，Ｃｒから選ばれる溶接性改善成分を含有することを特徴とする。
【００１２】
また、上記により製造される中心電極を利用してスパークプラグを構成すればよい。
上記手段によれば、以下のような作用が得られる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の請求項１〜６記載の発明によれば、チップの剥離を効果的に抑制することができる。これは、中心電極本体部を構成する材料のＮｉ含有率が従来のインコネル製のものに比較して高まったために、チップを電極に溶接する際にも熱引きがよくなってしまい、溶接性が低下していたことを解消したことによる。具体的には、中心電極本体部がＮｉを９０重量％以上含有することでこれと接合される部材の溶接強度は低下してしまうのであるが、本発明の第１の構成では、チップを溶接するに際して中心電極本体部よりもＮｉ含有量の少ない、即ちＮｉの含有量が９０重量％未満のＮｉ合金からなる中間部を介在させたため、溶接時の熱が過度に引かれてしまうことを抑制して、中間部とチップとの確かな接合を実現することができるのである。そして、当該中間部と中心電極本体部とは、押出成形等の塑性加工により一体化させているため、両者の接合性は両者の熱伝導性には左右されず、強固な接合が可能である。
【００１４】
上記事項を基本思想とする本発明は、前記中間部の熱伝導性について中心電極本体部の熱伝導性よりも悪く、熱伝導係数としては低いものを用いることが望ましいのは言うまでもない。しかしながら、単に熱伝導係数の悪い中間部を設けるだけでは押出成形等によって一体化させた際の接合性に問題を生じるおそれがあり、本発明ではＮｉの含有率で規定するものである。
【００１５】
尚、「貴金属製のチップ」とは貴金属成分を主成分として形成された小片を意味し、たとえば従来公知のＩｒ−Ｐｔ合金やＩｒ−Ｒｈ合金、Ｐｔ−Ｎｉ合金などが例示される。また、必ずしも貴金属のみからなる必要はなく、卑金属や酸化物を含有したものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明により製造されるスパークプラグ１の全体図（部分断面図）を示すものである。
【図２】本発明の要部である中心電極の製造過程を説明する図である。（ａ）は前駆体のそれぞれ、（ｂ）はそれら前駆体が一体とされた状態（塑性加工前）、（ｃ）は塑性加工により中心電極形状に成形された物の先端部、（ｄ）は同先端部に対して貴金属チップ３１が接合されたものである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、スパークプラグ１を示す一部破断正面図である。尚、図１では、スパークプラグ１の軸線Ｘ方向を図面における上下方向とし、下側をスパークプラグ１の先端側、上側を後端側として説明する。
【００１８】
スパークプラグ１は、筒状をなす絶縁体としての絶縁碍子２、これを保持する筒状の主体金具３などから構成されるものである。
【００１９】
絶縁碍子２には、軸線Ｘに沿って軸孔４が貫通形成されている。そして、軸孔４の先端部側には中心電極５が挿入、固定され、後端部側には端子電極６が挿入、固定されている。軸孔４内における中心電極５と端子電極６との間には、抵抗体７が配置されている。この抵抗体７の両端部は、導電性のガラスシール８，９を介して、中心電極５と端子電極６とにそれぞれ電気的に接続されている。
【００２０】
中心電極５は、絶縁碍子２の先端から突出し、端子電極６は絶縁碍子２の後端から突出した状態でそれぞれ固定されている。また、中心電極５には、その先端に貴金属チップ３１が溶接により接合されている。
【００２１】
一方、絶縁碍子２は、周知のようにアルミナ等を焼成して形成されており、その外形部において、後端側に形成された後端側胴部１０と、当該後端側胴部１０よりも先端側において径方向外向きに突出形成された大径部１１と、当該大径部１１よりも先端側においてこれよりも細径に形成された中胴部１２と、当該中胴部１２よりも先端側においてこれより細径に形成された脚長部１３とを備えている。絶縁碍子２のうち、大径部１１、中胴部１２、及び、大部分の脚長部１３は、主体金具３の内部に収容されている。そして、脚長部１３と中胴部１２との連接部にはテーパ状の段部１４が形成されており、当該段部１４にて絶縁碍子２が主体金具３に係止されている。
【００２２】
主体金具３は、低炭素鋼等の金属により筒状に形成されており、その外周面にはスパークプラグ１をエンジンヘッドに取付けるためのねじ部（雄ねじ部）１５が形成されている。また、ねじ部１５の後端側の外周面には座部１６が形成され、ねじ部１５後端でありねじ山が形成されていないねじ首１７にはリング状のガスケット１８が嵌め込まれている。さらに、主体金具３の後端側には、主体金具３をエンジンヘッドに取付ける際にレンチ等の工具を係合させるための断面六角形状の工具係合部１９が設けられるとともに、後端部において絶縁碍子２を保持するための加締め部２０が設けられている。
【００２３】
また、主体金具３の内周面には、絶縁碍子２を係止するためのテーパ状の段部２１が設けられている。そして、絶縁碍子２は、主体金具３の後端側から先端側に向かって挿入され、自身の段部１４が主体金具３の段部２１に係止された状態で、主体金具３の後端側の開口部を径方向内側に加締めること、つまり上記加締め部２０を形成することによって固定される。尚、絶縁碍子２及び主体金具３双方の段部１４，２１間には、円環状の板パッキン２２が介在されている。これにより、燃焼室内の気密性を保持し、燃焼室内に晒される絶縁碍子２の脚長部１３と主体金具３の内周面との隙間に入り込む混合気や排気ガスなどが外部に漏れないようになっている。
【００２４】
さらに、絶縁碍子２の主体金具３への固定をより完全なものとするため、主体金具３の後端側においては、主体金具３と絶縁碍子２との間に環状のリング部材２３，２４が介在され、リング部材２３，２４間にはタルク（滑石）２５の粉末が充填されている。すなわち、主体金具３は、板パッキン２２、リング部材２３，２４及びタルク２５を介して絶縁碍子２を保持している。
【００２５】
また、主体金具３の先端部２６には、略Ｌ字状をなす接地電極２７が接合されている。すなわち、接地電極２７は、前記主体金具３の先端部２６に対しその後端部が溶接されるとともに、先端側が曲げ返されて、その側面が中心電極５の先端部（貴金属チップ３１）と対向するように配置されている。尚、接地電極２７はＮｉ系合金から形成すればよく、本実施形態においてはInconel 601（登録商標）により形成されている。
【００２６】
さらに、当該接地電極２７には、前記貴金属チップ３１に対向するようにして貴金属チップ３２が接合されている。そして、これら貴金属チップ３１，３２間の隙間が火花放電間隙３３となっている。尚、本実施形態において、前記貴金属チップ３１は、公知の貴金属材料（例えば、Ｐｔ−Ｉｒ合金等）により構成されており、また、貴金属チップ３２は、Ｐｔ−２０Ｉｒ−５Ｒｈ合金から形成されている。
【００２７】
中心電極５は、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる芯部５Ａと、Ｎｉ合金からなる本体部５Ｂと、当該本体部５Ｂとは異なるＮｉ合金からなる中間部５Ｃにより構成されている。次述する製造方法により本体部５Ｂと中間部５Ｃとの境界面は中心電極５の先端へ向かって（先端部５Ｃ側へ）膨出した曲面状に、すなわち軸線Ｘに沿った断面では弧状を描くように形成されている。尚、本実施形態において、本体部５ＢはＮｉを９０％以上含有する高Ｎｉ含有合金により構成され、一方、中間部５ＣはＮｉが８０％以下の、たとえばInconel 600（登録商標）により構成されている。
【００２８】
図２に移りこの中心電極５の製造方法の説明をする。
まず、芯部５Ａ、外層５Ｂ、中間部５Ｃとなるそれぞれの前駆体５Ａ'，５Ｂ'，５Ｃ'を準備する（図５ａ）。前駆体５Ｂ'は有底筒状（所謂カップ状）に形成される。前駆体５Ａ'は前駆体５Ｂ'の内孔５Ｂ'１に挿入される胴部５Ａ'１とそれよりも外径の大なる頭部５Ａ'２を有する形状に形成される。前駆体５Ｃ'は前駆体５Ｂ'の底部５Ｂ'２と略同形状の面（５Ｃ'２）を有する円板状に形成される。これら前駆体５Ａ'，５Ｂ'，５Ｃ'が組み合わされるとともに金型へ挿入され、押出成形等の塑性加工により一体とされる（図５ｂ）。一体にされた前駆体は切削等により外形が調整されて中心電極５が形成され（図５ｃ）、別途準備された円柱状の貴金属チップ３１と溶接されて貴金属チップ３１と一体となった中心電極５として絶縁体２に組み付けられる（図５ｄ）。尚、中心電極５と貴金属チップ３１との溶接は、中心電極５の先端（詳細には中間部５Ｃの先端）に貴金属チップ３１が重ね合わされ、さらにその接合面外縁部に沿ってレーザー溶接、電子ビーム溶接、或いは抵抗溶接等を施すことにより、貴金属チップ３１と中心電極５とが接合されている。なお、押出成形に先立って前駆体５Ａ'，５Ｂ'，５Ｃ'を組み合わせたものに対して真空焼鈍を行い、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる前駆体５Ａ'と高Ｎｉ含有合金からなる前駆体５Ｂ'との接合面においてＣｕ成分とＮｉ成分とを拡散させることとしてもよい。
【００２９】
一方、貴金属チップ３１に対向する貴金属チップ３２は、接地電極２７の所定位置に位置合わせされた上で、抵抗溶接に一時的に溶接された後、その接合面外縁部に沿ってレーザービームでスポット溶接される。これにより、貴金属材料とＮｉ合金とが溶融した溶融部が形成され、接地電極２７と貴金属チップ３２とが接合される。尚、本実施形態では接地電極２７に貴金属チップ３２を配しているが、スパークプラグ１において性能よりもコストを重視するさいには、この貴金属チップ３２を有しないように形成してもよい。
【００３０】
次に、上記のように構成されてなるスパークプラグ１の製造方法について説明する。まず、主体金具３を予め加工しておく。すなわち、円柱状の金属素材（例えばＳ１７ＣやＳ２５Ｃといった鉄系素材やステンレス素材）を冷間鍛造加工により貫通孔を形成し、概形を製造する。その後、切削加工を施すことで外形を整え、主体金具中間体を得る。
【００３１】
続いて、主体金具中間体の先端面に、Ｎｉ合金からなる接地電極２７が抵抗溶接される。次いで、主体金具中間体の所定部位にねじ部１５が転造によって形成される。これにより、接地電極２７の溶接された主体金具３が得られる。接地電極２７の溶接された主体金具３には、亜鉛メッキ或いはニッケルメッキが施される。尚、耐食性向上を図るべく、その表面に、さらにクロメート処理が施されることとしてもよい。接地電極２７の先端に貴金属チップ３２を接合するに際しては、当該貴金属チップ３２が接合される箇所に上記表面処理を研磨等により排除しその上で溶接することが溶接強度の面からは好ましい。
【００３２】
一方、前記主体金具３とは別に、絶縁碍子２を成形加工しておく。例えば、アルミナを主体としバインダ等を含む原料粉末を用い、成型用素地造粒物を調製し、これを用いてラバープレス成形を行うことで、筒状の成形体が得られる。得られた成形体に対し、研削加工が施され整形される。そして、整形されたものが焼成炉へ投入され焼成される。焼成後、種々の研磨加工を施すことで、絶縁碍子２が得られる。
【００３３】
そして、上記のようにして得られた絶縁碍子２及び中心電極５と、抵抗体７と、端子電
極６とが、ガラスシール８，９によって封着固定される。ガラスシール８，９としては、一般的にホウ珪酸ガラスと金属粉末とが混合されて調製されており、当該調製されたものが抵抗体７を挟むようにして絶縁碍子２の軸孔４内に注入された後、後方から前記端子電極６が押圧された状態とした上で、焼成炉内にて焼き固められる。尚、このとき、絶縁碍子２の後端側胴部１０表面には釉薬層が同時に焼成され形成されることとしてもよいし、事前に釉薬層が形成されることとしてもよい。
【００３４】
その後、上記のようにそれぞれ作成された中心電極５及び端子電極６を備える絶縁碍子２と、接地電極２７を備える主体金具３とが組付けられる。より詳しくは、比較的薄肉に形成された主体金具３の後端側の開口部を径方向内側に加締めること、つまり上記加締め部２０を形成することによって固定される。
【００３５】
そして、最後に、接地電極２７を屈曲させることで、中心電極５の先端に設けられた貴金属チップ３１及び接地電極２７に設けられた貴金属チップ３２間の前記火花放電間隙３３を調整する加工が実施される。
【００３６】
このように一連の工程を経ることで、上述した構成を有するスパークプラグ１が製造される。こうして、中心電極の主材（本体部）に熱引きに優れる、比較的Ｎｉ成分の多い材料を用いながらもその先端部に貴金属チップを配したスパークプラグを実現することができ、また、実現されたスパークプラグにおいて、チップが剥離して脱落したりすることのないものを製造することが可能となった。
【実施例１】
【００３７】
次に本発明の効果を確認する。
まず、スパークプラグの中心電極としての利用を想定、もしくはスパークプラグの中心電極として使用実績のある、各種Ｎｉ含有量の異なるＮｉ合金を用意した（表１）。
【００３８】
【表１】
2011100575.tif 000003
【００３９】
表１に示す各種Ｎｉ合金を、中心電極を構成する本体部又は中間部の材料としてそれぞれ組み合わせを変え、上述の製造方法を経て中心電極サンプルを各種作製した（表２）。尚、作製したサンプルは本体部と中間部のそれぞれの材料のみが相違し、その他寸法、芯部や貴金属チップの材料等はいずれのサンプルにおいても同一である。
【００４０】
これら各種サンプルを用いてスパークプラグをそれぞれ作製し、チップ剥離及びチップ発汗の２つの観点で評価を行った。
「チップ剥離」とは、中心電極サンプルに加熱２分(９００℃)−冷却1分(室温)の冷熱サイクルを１０００サイクル実施し、試験後にチップが中心電極から脱落している、又は外観や断面を確認したときに剥離が生じていない、もしくは剥離が生じかかっていても実使用上問題を生じることが無いと判断できる物については「○」、脱落や剥離等の不具合が生じていれば「×」と評価した。
「チップ発汗」とは、中心電極サンプルを用いてスパークプラグを製作し、実際のエンジンに取り付け、中心電極温度が８００℃程度になる所定の条件で１００時間耐久を行い、試験後にチップの表面に気化したチップの成分が再付着して異常に変形している不具合（発汗現象）が生じていなければ「○」、発汗現象が確認できれば「×」、発汗現象は生じているが、実使用上問題を生じることが無いと判断できる物については「△」と評価した。
【００４１】
【表２】
2011100575.tif 000004
【００４２】
本体部にＮｉ含有量が９０重量％以上である材料１〜３を用いるとともに中間部にＮｉ含有量が９０％未満である材料４〜８を用いて構成した中心電極（サンプルＮｏ．３〜５，７〜９，１１〜１３，１５〜１７）を用いたスパークプラグは、いずれもチップ剥離及びチップ発汗の異常を生じることなく、試験結果が良好であった。
【００４３】
サンプルＮｏ．１９の中心電極を用いたスパークプラグでは、試験後に剥離は殆ど生じていなかったが、僅かではあるが発汗現象の発生が認められた。これは、中間部を構成する材料８のＮｉ含有量が４０重量％と５０重量％を切るほどに比較的少ないため、試験の際に、チップが高温となりやすく、発汗現象が生じやすかったためと考えられる。一方、Ｎｉ含有量が５０重量％である材料７からなるＮｏ．１５〜１７ではこのようなことはなかった。このことから、中間部はＮｉを５０重量％以上とすることがより望ましいことが確認された。
【００４４】
中間部及び本体部を共に材料１で構成したサンプルＮｏ．１は、押出加工により中間部と本体部とを一体にしているが、この点を除けば従来のスパークプラグの中心電極と同様の構成をなす。このため、従来のスパークプラグ同様に、チップ剥離の問題を生じることとなった。また、比較のために本発明と逆の構成、即ちサンプルＮｏ．２の構成では、チップ剥離及びチップ発汗の異常を共に生じてしまう結果となり、このことからも本発明の有意性が確認できた。
【００４５】
以上の試験結果から、材料３と材料４との間、即ちＮｉ含有量は８０重量％を臨界として効果に差異が生じるようである。しかしながら、本発明を実現する中間部は、Ｎｉ含有量の上限が必ずしも８０重量％に限定されるわけではない。その確認した結果を表３に示す。確認方法は、前述の「チップ剥離」評価とは異なる試験方法である。その試験は、前記同様に中心電極のサンプルを作製し、加熱２分（１０００℃）−冷却１分（室温）を１サイクルとする冷熱サイクルを与え、剥離に至ったサイクル数を比較する方法である。確認した合金の組成及び本試験の結果を表３に示す。
【００４６】
【表３】
2011100575.tif 000005
【００４７】
中間部も本体部も同じ組成として示したサンプルＡは従前のスパークプラグの中心電極と同様の構成に相当する物であるが、本体部よりも少ないＮｉ含有量の合金で構成された中間体を備えたもの（サンプルＢ〜Ｆ）は、いずれもチップ剥離に至るサイクル数がサンプルＡに対して増加している。
【００４８】
以上、本発明を一実施例に基づいて説明したが、本発明を実施するに当たっては上記実施例に限定されることはなく、その主旨を逸脱しない範囲での変更は適宜可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１    スパークプラグ
２    絶縁碍子
３    主体金具
５    中心電極
５Ａ  （中心電極の）芯部
５Ｂ  （中心電極の）本体部
５Ｃ  （中心電極の）中間部
２７  接地電極
３１  （中心電極側の）貴金属チップ
【図１】
2011100575.tif 000006
【図２】
2011100575.tif 000007