(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心電極と、その中心電極の先端面に自身の側面が対向するように配置された接地電極とを備え、火花放電ギャップに対応する位置においてそれら中心電極と接地電極との少なくとも一方に、貴金属チップをレーザー溶接することにより放電面を有する貴金属発火部を形成したスパークプラグの製造方法であって、
前記中心電極及び／又は前記接地電極における少なくともチップ被固着面形成部位をＮｉ又はＦｅを主成分とする耐熱合金にて構成し、そのチップ被固着面に対し前記貴金属チップを重ね合わせて重ね合せ組立体を作り、
その重ね合せ組立体に対し、前記貴金属チップの周方向において、該貴金属チップと前記チップ被固着面形成部位とにまたがり、かつ該貴金属チップの厚さ方向において前記放電面に到達しない全周レーザー溶接部を形成するために、レーザー発振部から発射されたレーザー光がグレーデッドインデックス形光ファイバケーブルに入射され、該コアの内部を伝送されて出射光学部に至り、該出射光学部にて集光されつつ前記重ね合せ組立体に照射されるとともに、
前記グレーデッドインデックス形光ファイバケーブル内を伝送して出射する前記レーザー光は、前記出射光学部に設けられる球面収差補正レンズ群にて集光されることを特徴とするスパークプラグの製造方法。
【請求項２】
前記グレーデッドインデックス形光ファイバケーブル内を伝送して出射する前記レーザー光は、前記出射光学部にてレーザースポット径が０．６ｍｍ以下となるように集光される請求項１記載のスパークプラグの製造方法。
【請求項３】
前記レーザー光は、１パルス当りの照射エネルギーが０．５〜２．５Ｊ、パルス幅が３〜８ミリ秒となる条件にて、前記重ね合せ組立体にパルス状に照射される請求項１又は請求項２に記載のスパークプラグの製造方法。
【請求項４】
前記レーザー光は、パルス発生周波数が２〜３０パルス／秒となる条件にて、前記重ね合せ組立体にパルス状に照射される請求項３記載のスパークプラグの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスパークプラグ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、円板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（例えば、特開平６−４５０５０号、特開平１０−１１２３７４号の各公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなスパークプラグの製造方法において、貴金属チップの電極への溶接については、ＹＡＧレーザー等によるパルス状レーザー光を用いて行われることが多い。そしてこのパルス状レーザー光については、貴金属チップと電極のチップ被固着面形成部位とにまたがるレーザー溶接部を貴金属チップの外周に沿って形成することができ、かつ溶接部の内部にブロ−ホール等が形成されないように、１パルス当りの照射エネルギー及びパルス幅といった条件を、貴金属チップ及び電極の材質や外径等に関連付けて任意に定め得るようにしている。
【０００４】
ところで、このようにして電極（例えば中心電極）３に貴金属チップ３１’を重ね合わせて全周レーザー溶接部１０を形成する場合、電極３と貴金属チップ３１’との溶接強度、すなわちある程度の溶接部深さを確保するために、パルス状レーザー光については、図１３（ａ）のようにパルス幅を短くして1パルス当りのレーザーピーク強度を相対的に高めて照射することが考えられる。しかし、パルス幅を短くして1パルス当りのレーザーピーク強度を単純に高める形で、電極３のチップ被固着面形成部位と貴金属チップ３１’とにまたがる溶接部１０を形成しようとすると、電極材料として使用されるＮｉ基あるいはＦｅ基の耐熱合金は熱伝導率が低いためにレーザー光による入熱量が小さく、スパッタ（溶接中に飛散するスラグ及び金属粒）ＳＰが発生しやすいという問題がある。そして、このようにスパッタＳＰが発生すると、スパッタが溶接部１０以外の貴金属チップ３１’や電極３等に付着して外観を損ねたり、製品歩留まりを低下させたりするばかりか、電極に窪みや穴等の欠陥が生じる場合がある。
【０００５】
また、レーザーピーク強度が大きくなると、溶接部１０の溶接幅ｗが大きくなり、中心電極３の軸線方向において放電面３１ａの外縁から溶接部１０の対応する端縁までの距離、すなわち発火部厚さｈが短くなるので、発火部３１が少し消耗しただけで、溶接部１０が貴金属発火部３１の放電面３１ａへ露出しやすくなる。一般に、溶接部１０は貴金属チップ材料と電極材料との合金により形成され、貴金属チップ単体と比較すると耐火花消耗性に劣っているから、露出した溶接部１０にて消耗が進行すると、比較的短時間で火花放電ギャップが拡大して着火ミス等の不具合を生じることになり、発火部３１の耐久性が問題となる。
【０００６】
一方、スパッタＳＰの発生を少なくするために、図１３（ａ）における所定時間（例えば１秒間）内でのトータル照射エネルギーを変化させることなく一定に保持する条件のもとで、図１３（ｂ）のようにパルス幅を長くして1パルス当りのレーザーピーク強度を相対的に小さくすると、電極３に対する入熱が蓄積されやすくなる反面、電極３のチップ被固着面形成部位と貴金属チップ３１’とにまたがって形成される溶接部１０の溶け込み深さｄが不十分となる場合がある。これに起因して溶接強度が不足したり、長時間の使用に伴って酸化スケール（中心電極３,貴金属チップ３１’及び溶接部１０相互の境界に発生する酸化皮膜）ＳＣが進展したり（径方向の酸化スケール深さｄsとチップ径Ｄとの比ｄs／Ｄを酸化スケール進展率という）、場合によっては貴金属チップ３１’が剥離したりするおそれもある。
【０００７】
そこで本発明の課題は、スパッタの発生を少なくでき、かつ溶接部の溶け込み深さの不足によって、溶接強度が不足したり、また長時間の使用により酸化スケールが進展したりするおそれの少ないスパークプラグの製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
本発明に係るスパークプラグの製造方法は、上記の課題を解決するために、
中心電極と、その中心電極の先端面に自身の側面が対向するように配置された接地電極とを備え、火花放電ギャップに対応する位置においてそれら中心電極と接地電極との少なくとも一方に、貴金属チップをレーザー溶接することにより放電面を有する貴金属発火部を形成したスパークプラグの製造方法であって、
前記中心電極及び／又は前記接地電極における少なくともチップ被固着面形成部位をＮｉ又はＦｅを主成分とする耐熱合金にて構成し、そのチップ被固着面に対し前記貴金属チップを重ね合わせて重ね合せ組立体を作り、
その重ね合せ組立体に対し、前記貴金属チップの周方向において、該貴金属チップと前記チップ被固着面形成部位とにまたがり、かつ該貴金属チップの厚さ方向において前記放電面に到達しない全周レーザー溶接部を形成するために、レーザー発振部から発射されたレーザー光がグレーデッドインデックス形光ファイバケーブルに入射され、該コアの内部を伝送されて出射光学部に至り、該出射光学部にて集光されつつ前記重ね合せ組立体に照射されるとともに、
前記グレーデッドインデックス形光ファイバケーブル内を伝送して出射する前記レーザー光が、前記出射光学部に設けられる球面収差補正レンズ群にて集光されることを特徴とする。
【０００９】
本発明では、レーザー発振部から発射されたレーザー光を出射光学部にて集光されつつ重ね合せ組立体に照射するにあたり、レーザー発振部から出射光学部に至る光伝送径路をグレーデッドインデックス形（以下、ＧＩ形という）光ファイバケーブルを用いて構成する。ＧＩ形光ファイバケーブルを用いれば、コアの屈折率が半径方向に連続的に変化することによって、レーザー光の光軸（中心）付近のエネルギー密度を上げることができる。すなわち、コアの屈折率分布と出射光学部を通して重ね合せ組立体に照射されるレーザー光のエネルギー分布（パワー分布）との間には相関関係が存在する。
【００１０】
したがって、電極のチップ被固着面形成部位と貴金属チップとにまたがるレーザー溶接部を形成すべきレーザー光狙い位置（部分）にレーザー光の光軸（中心）部を位置させることによって、溶接部の溶け込み深さを従来よりも容易に確保することができる。また、熱伝導率が低くレーザー光による入熱量が小さいＮｉ基あるいはＦｅ基の耐熱合金からなる電極部分に対しては、コアの屈折率の低い周縁部が対応することになり、レーザー光によるエネルギー分布が低いことからスパッタの発生を抑制することができる。
【００１１】
また、ＧＩ形光ファイバケーブルを用いてレーザー光のエネルギー分布の中心を高めることで、溶接部の溶接幅が相対的に小さく形成され発火部厚さが長くなるので、溶接部が貴金属発火部の放電面へ露出しにくくなり、耐火花消耗性を向上させることができる。
【００１２】
なお、ＧＩ形光ファイバケーブルは、コアが純粋石英で形成されたステップインデックス形（以下、ＳＩ形という）光ファイバケーブルに対して、コアにゲルマニウムが添加されている。そして、ＳＩ形光ファイバケーブルでは、レーザー光がコアとクラッドとの境界面で全反射を繰り返しながらコアの内部を伝送されるのに対し、ＧＩ形光ファイバケーブルでは、レーザー光がコアの内部で曲線を描きながら、レンズの焦点に光が集光するようにコアの中心の定まった点に集束しながら伝送される。そのため、コアのどの部分を通ったレーザー光も、ＧＩ形光ファイバケーブルの出射光学部まで時間遅れなくほとんど同時に到達する。その結果、ＧＩ形光ファイバケーブルにおいては、入射したレーザー光の信号波形が遠くまでその形を保って伝送されることになる。
【００１３】
そして、ＧＩ形光ファイバケーブル内を伝送して出射するレーザー光を出射光学部に設けられる球面収差補正レンズ群にて集光することにより、レーザースポット径（焦点径）を縮小することができる。レーザー光を縮小することによって、Ｎｉ基あるいはＦｅ基の耐熱合金からなる電極部分に対して照射されるレーザー光の光軸（中心）部の領域が小さくなり、スパッタの発生をさらに抑制することができる。また、レーザースポット径（焦点径）の縮小により、溶接部の溶接幅をさらに小さくかつ発火部厚さをさらに長く形成し得るので、溶接部が貴金属発火部の放電面へ露出しにくくなり、耐火花消耗性を一層向上させることができる。
【００１４】
なお、球面収差補正レンズ群は、球面収差（すなわちレーザー光が入射したとき、入射点の光軸からの距離によって、レンズで屈折したレーザー光が光軸と交わる位置が異なる収差）を複数のレンズを組み合わせて補正するもので、この球面収差補正レンズ群を用いることにより、レーザースポット径を０．６ｍｍ以下に絞ることを可能にする。また、レーザースポット径が０．６ｍｍを超えると、レーザー光の光軸付近のエネルギー密度が低下し、溶接部の溶け込み深さが不十分となって溶接強度が不足する場合がある。
【００１５】
さらに、上記レーザー光は、１パルス当りの照射エネルギーが０．５〜２．５Ｊ、パルス幅が３〜８ミリ秒となる条件にて、重ね合せ組立体にパルス状に照射することができる。電極のチップ被固着面形成部位をＦｅあるいはＮｉを主成分とする耐熱合金で構成しつつ、そのチップ被固着面と貴金属チップとを重ね合わせた重ね合せ組立体に対し、貴金属チップとチップ被固着面形成部位とにまたがる全周レーザー溶接部を形成する場合において、１パルス当りの照射エネルギーが０．５〜２.５Ｊのパルス状レーザー光のパルス幅を例えば２ミリ秒から６ミリ秒のように長くすると、レーザーピーク強度を相対的に低く抑えることができ、スパッタの発生を少なくし、溶接部の溶接幅の増大を抑制することができる。
【００１６】
パルス幅が３ミリ秒未満となるか、又は１パルス当りの照射エネルギーが０．５Ｊ未満となった場合は、１パルス当りの入熱量が小さく、溶融部の形成が不十分となる。さらに、１パルス当りの照射エネルギーが０．５Ｊ未満となり、かつパルス幅も３ミリ秒未満になった場合は、１パルス当りの入熱量が小さくなり過ぎ、例えばＮｉ基あるいはＦｅ基耐熱合金で電極が構成されている場合、電極の熱引きの影響により該電極がほとんど溶融せず、溶接部を形成することが困難となる。
【００１７】
一方、１パルス当りの照射エネルギーが２.５Ｊを超えるか、又はパルス幅が８ミリ秒を超える場合には、Ｎｉ基あるいはＦｅ基の耐熱合金で形成された電極の熱引きが小さいために、レーザー光による入熱が蓄積しやすくなり、溶け込み深さや溶接幅が大きくなり、溶接後の非溶接部の寸法すなわち発火部厚さが短くなるので、発火部が少し消耗しただけで、溶接部が貴金属発火部の放電面へ露出しやすくなる。また、電極が溶融して変形したりするおそれがある。さらに、１パルス当りの照射エネルギーが２.５Ｊを超え、かつパルス幅が８ミリ秒を超えた場合は、溶融される金属が蒸発や飛散を起こしやすくなるため、電極にくぼみや穴等の欠陥（ブローホール）が発生しやすくなるおそれがある。
【００１８】
なお、１パルス当りの照射エネルギーは、より望ましくは０．８〜１．５Ｊとするのがよく、パルス幅はより望ましくは４〜７ミリ秒とするのがよく、さらにレーザースポット径はより望ましくは０．５ｍｍ以下とするのがよい。
【００１９】
本明細書における１パルス当りの照射エネルギーは、例えばレーザー溶接を行う前に予め、レーザー発振部から発射されたレーザー光をカロリメータあるいはパワーメータ等のエネルギー検出器で受けることにより、単位時間（例えば１秒間）当りの照射エネルギーを計測し、その照射エネルギーを１秒間当りのパルス数で除することにより算出した値を用いる。また、レーザースポット径は、例えばレーザー溶接を行う前に予め、カーボン紙にレーザー光を照射し、焼けてできた孔の径を計測する。
【００２０】
また、上記レーザー光は、パルス発生周波数が２〜３０パルス／秒となる条件にて、重ね合せ組立体にパルス状に照射することによって、均一性の高い全周レーザー溶接部を極めて能率よく形成することができるようになる。
【００２１】
レーザー光のパルス発生周波数が２パルス／秒未満の場合には、全周レーザー溶接部の形成効率の向上が望めなくなる。一方、パルス発生周波数が３０パルス／秒を超える場合には、レーザー光による電極への入熱の蓄積が大きくなりすぎ、溶け込み深さや溶接強度の不均一を招くおそれがある。
【００２２】
また、本発明のスパークプラグは、上記課題を解決するために、
中心電極と、その中心電極の先端面に自身の側面が対向するように配置された接地電極とを備え、火花放電ギャップに対応する位置においてそれら中心電極と接地電極との少なくとも一方に、貴金属チップをレーザー溶接することにより放電面を有する貴金属発火部が形成されており、
前記中心電極及び／又は前記接地電極の、少なくともチップ被固着面形成部位がＮｉ又はＦｅを主成分とする耐熱合金にて構成され、
そのチップ被固着面に重ね合わされた前記貴金属チップの周方向において該貴金属チップと前記チップ被固着面形成部位とにまたがり、かつ前記貴金属チップの厚さ方向において前記放電面に到達しない形で、全周レーザー溶接部が形成されるとともに、
前記貴金属発火部の中心軸線を含む断面において、前記全周レーザー溶接部の溶け込み深さをｄとし、溶接幅をｗとしたとき、ｄ／ｗが０．５５より大きい値に調整されていることを特徴とする。
【００２３】
本発明のスパークプラグでは、貴金属チップの外周面に沿って形成された全周溶接部において、溶け込み深さｄと溶接幅ｗとの比ｄ／ｗが０．５５よりも大きい値に調整されているので、溶接幅ｗが相対的に小さく、また溶け込み深さｄが相対的に大きく形成されるようになる。そして、比ｄ／ｗを０．５５よりも大きい値に調整することは、例えばレーザー溶接において、レーザー発振部から出射光学部に至る光伝送径路をＧＩ形光ファイバケーブルにて構成し、さらにはレーザー光の集光レンズを球面収差補正レンズ群にて構成する等して、レーザースポット径を０．６ｍｍ以下に絞ることによって実現される。
【００２４】
ところで、溶接幅ｗが相対的に小さく形成されることは、発火部厚さが、溶接後においても比較的長く残存していることを意味している。そこで、貴金属チップの外周面において、中心電極の軸線方向における貴金属チップの寸法をチップ厚さＨとし、同じく放電面の外縁から全周レーザー溶接部の対応する端縁までの最短距離を発火部厚さｈとしたとき、ｈ／Ｈを０．５０以上の値に調整することができる。このような場合には、発火部の消耗に伴って、溶接部が貴金属発火部の放電面へ露出する現象は発生しにくい。したがって、溶接部の露出に伴う発火部の急激な消耗進行が抑制され、これによって発火部の耐久性が向上し、スパークプラグの高寿命化を図ることができる。
【００２５】
なお、溶け込み深さｄと溶接幅ｗとの比ｄ／ｗが０．５５以下となり、及び／又は溶接後の発火部厚さｈと溶接前のチップ厚さＨとの比ｈ／Ｈが０．５０未満となった場合は、溶接幅ｗが相対的に大きく（もしくは溶け込み深さｄが相対的に小さく）、発火部厚さｈが相対的に小さくなるので、発火部が少し消耗しただけで、溶接部が貴金属発火部の放電面へ露出しやすくなったり、溶接強度が不足したりする事態が予想される。
【００２６】
【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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
なお、発火部３１及び対向する発火部３２のいずれか一方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、又は対向する発火部３２と、発火部を有さない中心電極３の先端面との間で火花放電ギャップｇが形成されることとなる。
【００３０】
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にて構成されている（なお、本明細書において「主成分」とは、最も重量含有率の高い成分を意味し、必ずしも「５０重量％以上を占める成分」を意味するものではない）。Ｎｉ又はＦｅを主成分とする耐熱合金としては、次のようものが使用可能である。
▲１▼Ｎｉ基耐熱合金：本明細書では、Ｎｉを４０〜８５重量％含有し、残部の主体が、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｔｉ及びＦｅの１種又は２種以上からなる耐熱合金を総称する。具体的には、次のようなものが使用できる（いずれも商品名；なお、合金組成については、文献（改訂３版金属データブック（丸善）、ｐ１３８）に記載されているので、詳細な説明は行わない）；
ASTROLOY、CABOT
214、D-979、HASTELLOY C22、HASTELLOY C276、HASTELLOY G30、HASTELLOY S、HASTELLOY X、HAYNES
230、INCONEL 587、INCONEL 597、INCONEL 600、INCONEL 601、INCONEL 617、INCONEL 625、INCONEL
706、INCONEL 718、INCONEL X750、KSN、M-252、NIMONIC 75、NIMONIC 80A、NIMONIC 90、NIMONIC
105、NIMONIC 115、NIMONIC 263、NIMONIC 942、NIMONIC PE11、NIMONIC PE16、NIMONIC PK33、PYROMET
860、RENE 41、RENE 95、SSS 113MA、UDIMET 400、UDIMET 500、UDIMET 520、UDIMET 630、UDIMET
700、UDIMET 710、UDIMET 720、UNITEP AF2-1 DA6、WASPALOY。
【００３１】
▲２▼Ｆｅ基耐熱合金：本明細書では、Ｆｅを２０〜６０重量％含有し、残部の主体が、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｔｉ及びＮｉの１種又は２種以上からなる耐熱合金を総称する。具体的には、次のようなものが使用できる（いずれも商品名；なお、合金組成については、文献（改訂３版金属データブック（丸善）、ｐ１３８）に記載されているので、詳細な説明は行わない）；
A-286、ALLOY 901、DISCALOY、HAYNES
556、INCOLOY 800、INCOLOY 801、INCOLOY 802、INCOLOY 807、INCOLOY 825、INCOLOY 903、INCOLOY
907、INCOLOY 909、N-155、PYROMET CTX-1、PYROMET CTX-3、S-590、V-57、PYROMET CTX-1、16-25-6、17-14CuMo、19-9DL、20-Cb3。
【００３２】
一方、上記発火部３１及び対向する発火部３２は、Ｉｒ又はＰｔ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重量％Ｎｉ合金）、Ｐｔ−Ｉｒ合金（例えばＰｔ−１〜２０重量％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重量％Ｒｕ合金）、Ｉｒ−Ｐｔ合金（例えばＩｒ−１〜１０重量％Ｐｔ合金）、Ｉｒ−Ｒｈ合金等を使用できる。
【００３３】
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重量％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向上させることができる。上記酸化物としてはＹ２Ｏ３が好適に使用されるが、このほかにもＬａ２Ｏ３，ＴｈＯ２，ＺｒＯ２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。
【００３４】
中心電極３は、図２に示すように、先端側が円錐台状のテーパ面３ｔにより縮径されるとともに、その先端面３ｓに上記発火部３１を構成する合金組成からなる円板状の貴金属チップ３１'を重ね合わせる。さらにその接合面外縁部に沿ってレーザー溶接により全周レーザー溶接部（以下、単に溶接部ともいう）１０を形成して貴金属チップ３１'を固着することにより発火部３１が形成される。また、対向する発火部３２は、図１２に示すように、発火部３１に対応する位置において接地電極４に貴金属チップ３２'を位置合わせし、その外縁部に沿って同様に溶接部２０を形成してこれを固着することにより形成される。これらチップは、所定の組成となるように各合金成分を配合・溶解することにより得られる溶解合金を熱間圧延により板状に加工し、その板材を熱間打抜き加工により所定のチップ形状に打ち抜いて形成したものや、合金を熱間圧延又は熱間鍛造により線状あるいはロッド状の素材に加工した後、これを長さ方向に所定長に切断して形成したものを使用できる。また、アトマイズ法等により球状に成形したものも使用できる。上記チップ３１'，３２'は、例えば直径Ｄが０．４〜１．２ｍｍ、厚さＨが０．５〜１．５ｍｍのものを使用する。
【００３５】
上記の発火部３１，３２を形成するための溶接方法は概ね同じであるので、以下、中心電極３側の発火部３１を中心に、以下に詳しく説明する。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７０を作り、その重ね合せ組立体７０に対し、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。
【００３６】
このとき、本実施例のように貴金属チップ３１'が円板状に形成されている場合、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７０を、レーザー照射ユニット２００（図３参照）の出射光学部５０に対しチップ３１’（中心電極３）の中心軸線Ｏ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７０に向けて、パルス状レーザー光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θが−５゜〜＋６０゜の範囲（水平より上方側を＋とする；例えば＋４５゜）となるようにパルス状レーザー光ＬＢを照射する方法が、上記のような全周レーザー溶接部１０を均一に形成する方法として合理的である。この場合、組立体７０又は出射光学部５０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。
【００３７】
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７０と出射光学部５０との相対回転速度は、図２のように出射光学部５０を１つのみ使用する場合には、１０ｒｐｍ以上（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うためには、重ね合せ組立体７０と出射光学部５０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場合がある。なお、上記相対回転速度の上限値については、重ね合せ組立体７０を回転させる場合、溶接時に生ずる溶融金属の遠心力による変形を防止するために、２４０ｒｐｍ程度に留めるのがよい。
【００３８】
次に、レーザー照射ユニット２００の構成について、図３を参照して説明する。レーザー照射ユニット２００は、パルス状レーザー光ＬＢを発射するレーザー発振部４０と、このパルス状レーザー光ＬＢを重ね合せ組立体７０の外周面に向けて照射する出射光学部５０と、パルス状レーザー光ＬＢをレーザー発振部４０から出射光学部５０へ伝送する光伝送径路６０とを備えている。レーザー発振部４０において、イットリウム・アルミニウム・ガーネットの単結晶からなるＹＡＧロッド４１に励起ランプ４２からのキセノン等の光を当てると、この光が全反射鏡４３と出口側半透明鏡４４との間を往復して増幅され、レーザー光となって出口側半透明鏡４４から放出される。パルス発生回路（図示せず）を介して波形を整えられたパルス状レーザー光ＬＢが、レーザー発振部４０出口側の反射鏡４５で向きを変えられた後、ＧＩ形光ファイバケーブル６１で構成された光伝送径路６０に入射される。そして、ＧＩ形光ファイバケーブル６１を伝送し、出射されたパルス状レーザー光ＬＢは、出射光学部５０の球面収差補正レンズ群５１によって集光され、レーザースポット径ｄfが絞られて、重ね合せ組立体７０の外周面に向けて照射される。球面収差補正レンズ群５１は、球面収差（すなわちレーザー光が入射したとき、入射点の光軸からの距離によって、レンズで屈折したレーザー光が光軸と交わる位置が異なる収差）を複数のレンズを組み合わせて補正するもので、レーザースポット径ｄfを０．６ｍｍ以下（望ましくは０．５ｍｍ以下）に絞るために球面収差補正レンズ群５１は主要な役目を担っている。
【００３９】
光伝送径路６０を構成するＧＩ形光ファイバケーブル６１は、屈折率の大きいコア６２を中心に、その回りをコア６２より屈折率の小さいクラッド６３で同心円状に覆った構造を有し、さらにその外側はプラスチック製の外被６４で覆われている。ここで、ＧＩ形光ファイバケーブル６１は、図４に示すように、コア６２’が純粋石英で形成されたＳＩ形光ファイバケーブル６１’に対して、コア６２にゲルマニウムが添加されている。つまり、ＳＩ形光ファイバケーブル６１’では、コア６２’の屈折率Ｋ’が半径方向に階段状に変化するので、レーザー光ＬＢ’がコア６２’とクラッド６３’との境界面で全反射を繰り返しながらコア６２’の内部を伝送される（図４（ｂ））。これに対しＧＩ形光ファイバケーブル６１では、コア６２の屈折率Ｋが半径方向に連続的に変化することによって、レーザー光ＬＢがコア６２の内部でサイン曲線を描きながら、コア６２の中心の定まった点に集束しながら伝送される（図４（ａ））。
【００４０】
そのため、ＧＩ形光ファイバケーブル６１においては、コア６２のどの部分を通ったレーザー光ＬＢも、時間遅れなくほとんど同時に出射端に到達する一方、ＳＩ形光ファイバケーブル６１’では、中心軸とのなす角が大きいレーザー光ＬＢはコア６２における伝送距離が長くなり、伝送時間にばらつきがでる。つまり、ＧＩ形光ファイバケーブル６１においては、入射したレーザー光ＬＢの信号波形がより遠くまでその形を保って伝送されることになる。その結果、レーザー光ＬＢの光軸付近のエネルギー密度がより大きくなる。
【００４１】
なお、レーザースポット径ｄfは、例えば図３（ｂ）に示すように、レーザー溶接を行う前に予め、カーボン紙ＣＰにレーザー照射ユニット２００の出射光学部５０からレーザー光ＬＢを照射し、焼けてできた孔ｈｏの径を計測することにより得ることができる。
【００４２】
そして、レーザー照射ユニット２００の出射光学部５０から照射されるレーザー光ＬＢは、図５（ａ）のレーザー照射出力線図に表わされる、例えばパルス発生周波数ｆが１２パルス／秒（ｐｐｓとも表示する；このときの周期τ＝１０００／１２ミリ秒）のパルス状で出射される。図５（ａ）のパルス状レーザー光ＬＢは、例えば１パルス当りの照射エネルギーＥが１．２５Ｊ、パルス幅ｔが６ミリ秒に調整されている。したがって、この場合の１秒間の平均レーザー出力はＰ＝Ｅ×ｆ＝１．２５Ｊ×１２ｐｐｓ＝１５Ｗとなる。
【００４３】
このように調整されたパルス状レーザー光ＬＢが、重ね合せ組立体７０（貴金属チップ３１’）の外周面に沿って照射される（図２参照）。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’と中心電極３のテーパ面３ｔの先端縮径部位とにまたがり、かつ貴金属チップ３１’の厚さ方向において放電面３１ａに到達しない形で、図５（ｂ）及び（ｃ）に示すような溶け込み深さｄ、溶接幅ｗの全周レーザー溶接部１０が形成される。全周レーザー溶接部１０の形成に伴って、貴金属チップ３１’には放電面３１ａを有する発火部３１が形成され、放電面３１ａの外縁から全周レーザー溶接部１０の対応する端縁までの最短距離が発火部厚さｈとなる。
【００４４】
ここで、図５（ｃ）に示すように、貴金属発火部３１の中心軸線Ｏを挟んだ全周レーザー溶接部１０の両側部分が半径方向において内部でつながらない場合（この場合、全周レーザー溶接部１０はドーナツ状の形態を呈する）には、溶接後においてチップ厚さＨ及び溶け込み深さｄを、その軸断面から実測すればよい。しかし、同図（ｄ）に示すように、両側の全周レーザー溶接部１０が半径方向において内部でつながってしまう場合（全周レーザー溶接部１０は円板状の形態を呈する）には、溶接後においてチップ厚さＨ及び溶け込み深さｄを、その軸断面において直ちに実測できるわけではない。ただし、溶け込み深さｄについては、全周レーザー溶接部１０の軸断面において、中心軸線Ｏを挟んで対称と仮定し、チップ半径とすることができる。一方、チップ厚さＨについては、全周レーザー溶接部１０を、周方向に対して均一な濃度分布を有する貴金属チップ成分と電極母材成分との溶融合金部として捉えることにより、次のように定めるものとする。
【００４５】
まず、貴金属発火部３１の中心軸線Ｏを含む任意の軸断面において、全周レーザー溶接部１０の平均組成をＥＰＭＡ等により求める。次に、得られた平均組成に基づいて、貴金属チップ３１’の金属と中心電極３の母材の金属との混合比率を算出する。そして、中心軸線Ｏ上で測定された全周レーザー溶接部１０の厚みを上記混合比率で分割する境界位置（図５（ｄ）の境界線Ｂ参照）を求め、放電面３１ａと境界線Ｂとの軸線方向の距離をチップ厚さＨとして定める。
【００４６】
そして、上述の通り、パルス状レーザー光ＬＢは、例えば１パルス当りの照射エネルギーＥが１．２５Ｊ、パルス幅ｔが６ミリ秒に調整されている。また、レーザー発振部４０から出射光学部５０に至る光伝送径路６０をＧＩ形光ファイバケーブル６１にて構成し、あるいはパルス状レーザー光ＬＢの集光レンズを球面収差補正レンズ群５１にて構成して、レーザースポット径ｄfが例えば０．４７ｍｍに調整されている。これらの調整によって、全周レーザー溶接部１０において、溶け込み深さｄと溶接幅ｗとの比ｄ／ｗが０．５５よりも大きい値に調整されることになる。溶接幅ｗが相対的に小さく、また溶け込み深さｄが相対的に大きく形成されるので、溶接強度が十分に確保され、長時間の使用によっても酸化スケールが進展しにくい。なお、溶け込み深さｄと溶接幅ｗとの比ｄ／ｗの上限としては、およそ１程度が望ましい。
【００４７】
ところで、溶接幅ｗが相対的に小さく形成されるため、チップ厚さＨと発火部厚さｈとの比ｈ／Ｈを０．５０以上の値に調整することができ、発火部厚さｈが、溶接後においても比較的長く残存していることを意味している。このような場合には、発火部３１の消耗に伴って、全周レーザー溶接部１０が貴金属発火部３１の放電面３１ａへ露出する現象は発生しにくい。したがって、全周レーザー溶接部１０の露出に伴う発火部の急激な消耗進行が抑制され、これによって発火部３１の耐久性が向上する。なお、チップ厚さＨと発火部厚さｈとの比ｈ／Ｈの上限としては、およそ０．９程度が望ましい。
【００４８】
次に、図６及び図７は、図５の製造工程の変更例を示す。これらのように、チップ３１'の周方向に所定の間隔で複数の出射光学部を配して溶接を行えば、溶接時間の短縮を図ることができる場合がある。例えば、図６のように、略１８０°間隔で配置した２つの出射光学部５０ａ及び５０ｂにより溶接を行えば、各レーザー光源５０ａ及び５０ｂが略半周分に対応する溶接部１０ａ，１０ｂを各々分担すればよい。また、図７のように、略１２０°間隔で配置した３つの出射光学部５０ａ〜５０ｃにより溶接を行えば、各出射光学部５０ａ〜５０ｃがそれぞれ略１／３周分に対応する溶接部１０ａ〜１０ｃを分担すればよい。
【００４９】
なお、出射光学部を複数使用する場合も、各々の出射光学部が本発明のレーザー溶接条件を満足すればよい。その理由は、以下の通りである。すなわち、複数の出射光学部（ｎ個：ｎ≧２）を用いるにあっては、同時にレーザー光を照射した際のチップ３１'における温度上昇は大きくなる。しかし、各出射光学部は前述したようにチップ３１'に対してほぼ（１／ｎ）周分に対応する溶接部を分担すればよく、単一の出射光学部を使用する場合と比較して（１／ｎ）の時間で溶接が可能となる。その結果、チップ３１'に対する入熱時間が短縮され、各溶接部の幅が粗大化する不具合が生じにくくなる。さらに、このように複数の出射光学部を用いて同時にレーザー光を照射することにより、溶接時間の短縮を図ることができ、生産効率の向上にも寄与できる。
【００５０】
次に、貴金属チップ３１'のチップ被固着面に対する位置決め固定を行いやすくするために、図８に示すように、チップ外形形状に対応した位置決め用凹部３ａをチップ被固着面に形成し、その位置決め用凹部３ａ内に貴金属チップ３１'を嵌め込んで重ね合せ組立体７０を作ることもできる。この場合、溶接接合を確実に行うには、照射角度θが−５°〜＋６０°の範囲（例えば４５°）となるように、その凹部３ａの開口周縁とチップ外周面との交差縁Ｑに向けてパルス状レーザー光ＬＢを照射するのがよい。
【００５１】
他方、図９に示すように、中心電極３のテーパ面３ｔの先端部に、円筒状の突出部３ｄを形成し、その平坦な先端面３ｓをチップ被固着面としてここに貴金属チップ３１'を重ね合わせ、照射角度θが−５°〜＋６０°の範囲（例えば４５°）となるように、チップ被固着面とチップ外周面との交差縁Ｑに向けてパルス状レーザー光ＬＢを照射するようにしてもよい。図１０（ａ）は、そのようにして製造したスパークプラグの発火部３１近傍の拡大斜視図であり、（ｂ）及び（ｃ）は、その縦断面図である。（ｂ）は、溶接部１０の中心軸線Ｏを挟んで両側の部分がつながらない場合、（ｃ）は両部分が半径方向につながる場合の各状態を示している。
【００５２】
また、図１１は、接地電極４側の発火部３２及び放電面３２ａの形成状態を示すもので、中心電極３側と同様の全周レーザー溶接部２０が形成されている。図１２（ａ）に示すように、接地電極４の火花放電ギャップｇ（図１）に面することが予定された側面をチップ被固着面として、ここに凹部４ａを形成し、その凹部４ａに貴金属チップ３２'を嵌め込み固定する。その状態で、図５等と同様にレーザー照射ユニット２００の出射光学部５０を用いて全周レーザー溶接部２０の形成を行う。
【００５３】
【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、基端部外径Ｄ1を２．５ｍｍ、先端面径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。
【００５４】
次に、図５（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を形成した。そして、このときのスパッタＳＰの発生の有無を観察するとともに、貴金属チップ３１’の中心軸線を含む軸方向切断面において、溶け込み深さｄ、溶接幅ｗ及び発火部厚さｈを測定した。このとき、図３に示すレーザー照射ユニット２００のレーザー発振部４０から出射光学部５０に至る光伝送経路６０にＧＩ形光ファイバケーブル（レーザースポット径ｄｆが０．４７ｍｍ）６１を用いて製造された中心電極３（試験Ｎｏ．１〜５）と、ＳＩ形光ファイバケーブル（レーザースポット径ｄｆが０．６２ｍｍ）６１’（図４（ｂ）参照）を用いて製造された中心電極３（試験Ｎｏ．６〜１０）とに対して、これらの寸法を測定・比較した。なお、試験Ｎｏ．１〜１０の製造の際、出射光学部５０には球面収差補正レンズ群５１を装備した。
【００５５】
次に、試験Ｎｏ．１〜１０の中心電極３を備えたスパークプラグ１００を各々作製し、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、１００時間の実機耐久試験を行った。１００時間後に、スパークプラグ１００から取り外した試験Ｎｏ．１〜１０の中心電極３において、貴金属チップ３１’の中心軸線を含む軸方向切断面に対してエッチングを施し、径方向の全周レーザー溶接部１０における酸化スケールＳＣの深さｄｓ（図１３（ｂ）参照）を測定し、この酸化スケール深さｄｓとチップ径Ｄとの比ｄｓ／Ｄを酸化スケール進展率として算出した。そして、各試験Ｎｏ．のうちで、貴金属チップ３１’における溶け込み深さｄの値が略同等の試験Ｎｏ．１と６、試験Ｎｏ．２と７、試験Ｎｏ．３と８、試験Ｎｏ．４と９、試験Ｎｏ．５と１０において、ＳＩ形光ファイバケーブル６１’を用いた試験Ｎｏ．６〜１０の各酸化スケール進展率を「１」としたときに、試験Ｎｏ．６〜１０と溶け込み深さｄが略等しい試験Ｎｏ．１〜５のそれぞれに対する酸化スケール進展率が何倍に相当するかの比を算出した。なお、貴金属チップ３１’に対する溶け込み深さｄの値が略等しい試験Ｎｏ．１と５、試験Ｎｏ．２と６、試験Ｎｏ．３と８、試験Ｎｏ．４と９、試験Ｎｏ．５と１０との酸化スケール進展率の比については、表１に示し、また上述したスパッタの発生の有無についても各試験Ｎｏ．毎に表１に示した。
【００５６】
【表１】
0003878807.tif 000002
【００５７】
表１の結果によれば、ＳＩ形光ファイバケーブルを用いて作製したスパークプラグ１００（中心電極３）では、スパッタの発生がみられるものがあったものの、ＧＩ形光ファイバケーブルを用いて作製したスパークプラグ（中心電極３）についてはスパッタの発生はみられなかった。なお、この表１の結果によれば、スパッタの発生の有無において、ＧＩ形光ファイバケーブルを用いる場合、貴金属チップ３１’に対する溶け込み深さｄが大きいほどＳＩ形光ファイバケーブルに対する優位性が増すことがわかる。
【００５８】
また、表１の結果によれば、ＧＩ形光ファイバケーブルを用いた試験Ｎｏ．１〜５については、いずれも溶け込み深さｄ対溶接幅ｗの値ｄ／ｗは０．５５よりも大きい値となり、ＳＩ形光ファイバケーブルを用いた試験Ｎｏ．６〜１０よりも全て上位の値を示した。そして、溶け込み深さｄの値が略同等の試験Ｎｏ．１と６、試験Ｎｏ．２と７、試験Ｎｏ．３と８、試験Ｎｏ．４と９、試験Ｎｏ．５と１０をそれぞれ比較すると、溶け込み深さｄ対溶接幅ｗの値ｄ／ｗが０．５５より大きい値を示す試験Ｎｏ．１〜５（換言すれば、ＧＩ形光ファイバケーブルを用いた試験Ｎｏ．１〜５）については、溶け込み深さｄが略同等の対応する試験Ｎｏ．６〜１０と比較して、全周レーザー溶接部１０における酸化スケール進展率の比（なお、試験Ｎｏ．６〜１０のそれぞれの酸化スケール進展率を「１」としたときの比）が、それよりも小さな値を示す傾向にある。
【００５９】
つまり、貴金属チップ３１’における溶け込み深さｄ対溶接幅ｗの値ｄ／ｗが０．５５より大きい値を示すスパークプラグ１００（中心電極３）（換言すれば、ＧＩ形光ファイバケーブルを用いて作製したスパークプラグ１００（中心電極３）については、全周レーザー溶接部１０における酸化スケールの進展が起こり難いものとなり、スパークプラグ１００の信頼性が向上することがわかる。このことは、ＧＩ形光ファイバケーブルを用いて作製したスパークプラグ１００（中心電極３）では、ＳＩ形光ファイバケーブルを用いたスパークプラグ１００（中心電極３）と比較して、全周レーザー溶接部１０における貴金属チップ成分と中心電極成分（電極母材成分）との分散状態がより均一となることから、酸化スケールの進展が起こり難くなるものと推測することができる。なお、この表１の結果によれば、全周レーザー溶接部１０の酸化スケールの進展については、ＧＩ形光ファイバケーブルを用いる場合、貴金属チップ３１’に対する溶け込み深さｄが大きいほどＳＩ形光ファイバケーブルに対する優位性が増すことがわかる。
【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】レーザー照射ユニットの説明図及びレーザースポット径の測定方法の説明図。
【図４】ＧＩ形光ファイバケーブル及びＳＩ形光ファイバケーブルの説明図。
【図５】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、縦断面図及びその変形例の縦断面図。
【図６】図２の製造工程の変更例を示す説明図。
【図７】同じく別の変更例を示す説明図。
【図８】図２の中心電極先端部を変形したスパークプラグの製造工程を説明する図。
【図９】図２の中心電極先端部を更に変形したスパークプラグの製造工程を説明する図。
【図１０】図９の製造工程により製造されるスパークプラグの要部斜視図、その縦断面図及びその変形例を示す縦断面図。
【図１１】接地電極側発火部の斜視図。
【図１２】その製造工程説明図。
【図１３】従来の製造方法の問題点を示す説明図。
【符号の説明】
３      中心電極
３ｓ    チップ被固着面
４      接地電極
１０，２０  全周レーザー溶接部
３１，３２  貴金属発火部
３１'，３２'  貴金属チップ
３１ａ，３２ａ  放電面
４０    レーザー発振部
５０    出射光学部
５１    球面収差補正レンズ群
６０    光伝送径路
６１    ＧＩ形光ファイバケーブル
６２    コア
７０    重ね合せ組立体
１００  スパークプラグ
２００  レーザー照射ユニット
ＬＢ    パルス状レーザー光
【図１】
0003878807.tif 000003
【図２】
0003878807.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003878807.tif 000009
【図８】
0003878807.tif 000010
【図９】
0003878807.tif 000011
【図１０】
0003878807.tif 000012
【図１１】
0003878807.tif 000013
【図１２】
0003878807.tif 000014
【図１３】
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