內燃機用火花塞及其製造方法

2023-09-18 07:42:05

專利名稱：內燃機用火花塞及其製造方法
技術領域：
本發明涉及到在內燃機中使用的火花塞及其製造方法。
背景技術：
一般地，在汽車發動機等的內燃機中使用的火花塞構成為通過在中心電極與接地 電極之間的火花放電間隙中產生火花，從而點燃供給到內燃機的燃燒室的混合氣。近些年，從限制氣體排放和提高燃料消耗率的觀點出發，正在積極地進行稀混合 氣發動機(Lean Burn Engine)、直噴發動機、以及低排放發動機等內燃機的開發。在這樣的 內燃機中，要求點火性能比以往更優秀的火花塞。因此，已知如下技術為了防止耐損耗性的降低，同時實現點火性能的提高，在中 心電極的前端部焊接由銥合金或白金合金等耐損耗性優秀的貴金屬合金構成的圓柱狀的 貴金屬電極頭。然而，貴金屬電極頭向中心電極的前端部的焊接一般通過如下方式進行。即，將貴 金屬電極頭的一端面載置於中心電極的前端面，然後利用預定的按壓銷按壓貴金屬電極頭 的另一端面以保持貴金屬電極頭。接著，使中心電極等以軸線為旋轉軸旋轉，同時從中心電 極等的側面方向對中心電極與貴金屬電極頭的接觸面外緣附近照射雷射束或電子束。由 此，在中心電極和貴金屬電極頭之間形成由構成兩者的金屬材料熔融而成的熔融部，其結 果是，將貴金屬電極頭焊接於中心電極的前端部。然而，在採用這樣的方法的情況下，在使中心電極等旋轉時，有可能會發生貴金屬 電極頭的中心軸相對於中心電極的中心軸偏移(所謂偏心)的情況。在貴金屬電極頭相對 於中心電極偏心的狀態下進行雷射焊接等的話，從雷射照射口到照射對象(所述接觸面外 緣)的距離發生偏差。其結果是，熔融部的大小(熔融量)會發生偏差，以至於有可能發生 焊接強度降低的情況。因此，為了防止貴金屬電極頭在焊接時的偏心，提出有下述方案在中心電極的前 端面設置凹狀的孔部，並且在貴金屬電極頭的基端面設置突起狀的腳部，在所述腳部與所 述孔部嵌合的狀態下，將貴金屬電極頭焊接於中心電極(例如，參照專利文獻1等)。專利文獻1 日本特開平10-112374號公報然而，在上述技術中，為了高效地從貴金屬電極頭向中心電極散熱，所述孔部的底 面與所述腳部的端面處於接觸狀態。而且，在貴金屬電極頭的基端面與中心電極的前端面 之間的外周部分形成熔融部，另一方面，在所述腳部的端面與所述孔部的底面之間未形成 熔融部，兩者通過電阻焊接而焊接在一起。由此，在未形成熔融部的所述腳部的端面與中心 電極的孔部的底面的接觸面處，有可能因構成貴金屬電極頭的貴金屬合金與構成中心電極 的金屬材料之間的熱膨脹係數的差而產生應力。其結果是，有可能在兩者的接合部分產生 裂紋，以至於貴金屬電極頭從中心電極剝離。對此，考慮如下方案在中心電極與貴金屬電極頭的接觸部分的整個區域中，設置 具有處於中心電極和貴金屬電極頭之間的熱膨脹係數的所述熔融部，從而緩和所述應力，防止貴金屬電極頭的剝離。然而，為了在中心電極與貴金屬電極頭的接觸部分的整個區域形成熔融部，需要 增加雷射束等的熔融能量。在此，熔融能量增加的話，有可能使熔融部變得過大，或者從熔 融部分飛濺出金屬粒子(所謂濺射)並在貴金屬電極頭的前端面附著熔融金屬。如果熔融 金屬附著於貴金屬電極頭的前端面，則不能夠準確地調整火花放電間隙的大小，因此有可 能使火花放電所需要的放電電壓變高，在最糟糕的情況下可能發生不發火。此外，熔融部過 大的話，有可能導致耐損耗性的降低。

發明內容
本發明正是鑑於上述情況而作出的，其目的在於提供一種內燃機用火花塞及其制 造方法，能夠提高貴金屬電極頭相對於中心電極的焊接強度，並且不會導致耐損耗性或點 火性能的降低，能夠更為可靠地提高貴金屬電極頭的耐剝離性。本發明提供一種內燃機用火花塞，其特徵在於，具有中心電極，沿軸線延伸，並具有前端部和外周面；筒狀的絕緣體，該絕緣體設於所述中心電極的外周面周圍，並且具有外周面；筒狀的金屬殼，該金屬殼設於所述絕緣體的外周面周圍，並且具有前端部；貴金屬電極頭，設於所述中心電極的前端部，所述貴金屬電極頭包括前端部和基 端部；接地電極，所述接地電極的一端固定於所述金屬殼的前端部，所述接地電極的另 一端與所述貴金屬電極頭的前端部之間形成有間隙；限制部，設於所述中心電極和所述貴金屬電極頭中的至少一方，所述限制部限制 所述貴金屬電極頭相對於所述中心電極的移動；熔融部，焊接所述中心電極以及所述貴金屬電極頭的基端部的至少一部分；以及封閉空間，形成在所述貴金屬電極頭的基端部的中央部分與所述中心電極之間。另外，本發明提供一種火花塞的製造方法，所述火花塞具有中心電極，沿軸線延伸，並具有前端部和外周面；筒狀的絕緣體，該絕緣體設於所述中心電極的外周面周圍，並且具有外周面；筒狀的金屬殼，該金屬殼設於所述絕緣體的外周面周圍，並且具有前端部；貴金屬電極頭，設於所述中心電極的前端部，所述貴金屬電極頭包括前端部和基 端部；熔融部，通過焊接所述中心電極以及所述貴金屬電極頭而形成；限制部，設於所述中心電極和所述貴金屬電極頭中的至少一方；以及接地電極，所述接地電極的一端固定於所述金屬殼的前端部，所述接地電極的另 一端與所述貴金屬電極頭的前端部之間形成有間隙，該火花塞的製造方法的特徵在於，包括在所述中心電極與所述貴金屬電極頭的基端部的中央部分之間形成封閉空間；在所述限制部限制所述貴金屬電極頭相對於所述中心電極移動時，在所述中心電 極的前端部載置所述貴金屬電極頭；通過在所述中心電極和所述貴金屬電極頭之間的邊界的外表面使所述中心電極和所述貴金屬電極頭熔融，在所述中心電極的前端部的表面和所述貴金屬電極頭的基端部 的表面接觸的部分形成所述熔融部；通過所述熔融部的形成，將所述中心電極和所述貴金屬電極頭焊接。以下，對用於達成上述目的的各結構分開說明。另外，根據需要記述對應的結構特 有的作用效果。結構1.本結構中的內燃機用火花塞具有沿軸線方向延伸的中心電極；設於所述中心電極的外周的筒狀的絕緣體；設於所述絕緣體的外周的筒狀的主體零件(金屬殼)；由貴金屬合金構成，並且設於所述中心電極的前端部的貴金屬電極頭；由所述中心電極以及所述貴金屬電極頭相互熔融形成的熔融部；以及一端接合於所述主體零件的前端部，另一端與所述貴金屬電極頭的前端部之間形 成有間隙的接地電極，其特徵在於，通過設於所述中心電極和所述貴金屬電極頭中的至少一方的限制部，限制所述貴 金屬電極頭相對於所述中心電極在徑向上的相對移動，然後，通過照射雷射束或者電子束 形成有所述熔融部，所述貴金屬電極頭的基端部的至少一部分經由所述熔融部與所述中心電極接合， 並且，在所述貴金屬電極頭的基端部中央部分與所述中心電極之間形成封閉空間。另外，所謂「限制部」只要是限制貴金屬電極頭相對於中心電極在徑向上的相對移 動的部件即可，例如可以由設於貴金屬電極頭的基端的孔部、以及設於中心電極的前端並 可與所述孔部嵌合的突出部構成限制部。此外，也可以由設於中心電極的前端部並且可供 圓柱狀的貴金屬電極頭嵌入的孔部構成限制部。根據上述結構1，在焊接貴金屬電極頭時，通過限制部限制貴金屬電極頭相對於中 心電極在徑向上的相對移動。由此，在焊接時，能夠更為可靠地防止因貴金屬電極頭的偏心 而使熔融部的大小產生偏差，能夠實現焊接強度的提高。此外，在本結構1的火花塞中，在貴金屬電極頭的基端部中央部分與中心電極之 間形成有封閉空間。即，在焊接貴金屬電極頭的時候，在中心電極與貴金屬電極頭之間形成 有空間的狀態下形成熔融部。因而，與使中心電極的前端面整個區域與貴金屬電極頭的基 端面整個區域接觸的狀態相比，減少了中心電極與貴金屬電極頭的接觸部分，不會使熔融 能量增加，能夠在中心電極與貴金屬電極頭的接觸部分的整個區域形成熔融部。其結果是， 能夠防止作為耐磨損性和點火性能降低的原因的、熔融金屬在貴金屬電極頭的前端面的附 著(焊接不良)，同時能夠緩和中心電極與貴金屬電極頭之間產生的應力，能夠提高貴金屬 電極頭的耐剝離性。即，根據本結構1，能夠一舉抑制焊接不良和氧化皮雙方，所述雙方處於 抑制了其中一方則另一方會明顯化的關係。結構2.在上述結構1的基礎上，本結構的內燃機用火花塞的特徵在於，在包含所 述軸線的剖面中，設所述貴金屬電極頭的寬度為C。，設所述封閉空間的寬度為&，設所述封 閉空間的高度為SH時，滿足下述的算式(1)和算式(2)，Sx ≤C0/2 ... (1)
SH ^ Sj ... (2)另外，所謂貴金屬電極頭的寬度指的是沿著與軸線正交的方向的貴金屬電極頭的 長度，所謂封閉空間的寬度指的是沿著與軸線正交的方向的封閉空間的長度。此外，在貴 金屬電極頭沿軸線的寬度有多種的情況下，所謂貴金屬電極頭的寬度意味著貴金屬電極頭 的基端部的寬度。另外，所謂封閉空間的高度指的是封閉空間沿軸線在所述剖面中的長度。 此外，在封閉空間的寬度沿軸線不同的情況下，封閉空間的寬度指的是寬度的最大值，在 封閉空間的高度沿與軸正交的方向不同的情況下，封閉空間的高度SH指的是高度的最大值 (以下相同)。如上所述地，根據本發明，在貴金屬電極頭與中心電極之間形成封閉空間。其中， 如果考慮從貴金屬電極頭向中心電極側的降溫的話，貴金屬電極頭的熱量經由位於所述封 閉空間的外周的環狀部分傳導到中心電極側。因此，所述環狀部分的剖面面積過小，或者環 狀部分的長度極長的話，有可能使從貴金屬電極頭向中心電極側的降溫惡化，會損害貴金 屬電極頭的耐損耗性。對此，根據上述結構2，由於&彡C。/2、且SH彡S」因此能夠使作為熱傳導路徑的 所述環狀部分具有足夠的剖面面積，並且能夠形成得比較短。因此，能夠充分確保貴金屬電 極頭的降溫性能，能夠實現耐損耗性的提高。結構3.在上述結構1或2的基礎上，本結構的內燃機用火花塞的特徵在於，在包 含所述軸線的剖面中，設所述貴金屬電極頭的寬度為C。，設所述封閉空間的寬度為&，設所 述熔融部中隔著所述軸線位於一方側的熔融部的熔融深度為LA，設所述熔融部中隔著所述 軸線位於另一方側的熔融部的熔融深度為LB時，滿足下述的算式(3)和算式(4)，La 彡[(Cq-Sj) /2] X 0. 7 ... (3)Lb 彡[(Cq-Sj) /2] X 0. 7 ... (4)另外，所謂「熔融部的熔融深度」指的是熔融部中位於最靠軸線方向前端側的位置 的部位與熔融部中位於最靠內側的位置的部位之間的、沿與軸線正交的方向的長度。根據上述結構3，熔融部的熔融深度LA、LB形成為貴金屬電極頭與中心電極的接觸 區域的長度的一半[(QrS^/2]的0.7倍以上的足夠的深度。即，通過足夠深的熔融部，能 夠更為可靠地吸收中心電極與貴金屬電極頭之間產生的應力差。其結果是，能夠儘量防止 中心電極與貴金屬電極頭之間氧化皮(裂紋)的發展，能夠進一步提高貴金屬電極頭的耐 剝離性。結構4.在上述結構1至3中任意一項的基礎上，本結構的火花塞的特徵在於，所 述熔融部不露出到所述封閉空間。根據上述結構4，熔融部形成為不會露出到封閉空間。即，在形成熔融部的時候，能 夠可靠地防止存在於封閉空間中的氣體混入到熔融池中並在熔融部的表面形成氣泡而殘 留(所謂產生氣孔(blow hole))。因此，能夠有效地防止熔融部的強度降低。結構5.在本結構的火花塞的製造方法中，所述火花塞具有沿軸線方向延伸的中心電極；設於所述中心電極的外周的筒狀的絕緣體；設於所述絕緣體的外周的筒狀的主體零件；
由貴金屬合金構成，並且設於所述中心電極的前端部的貴金屬電極頭；由所述中心電極以及所述貴金屬電極頭相互熔融形成的熔融部；以及一端接合於所述主體零件的前端部，另一端與所述貴金屬電極頭的前端部之間形 成有間隙的接地電極，該火花塞的製造方法的特徵在於，在所述貴金屬電極頭的基端部中央部分和所述中心電極之間形成封閉空間，同時 在利用設於所述中心電極和所述貴金屬電極頭中的至少一方的限制部限制所述貴金屬電 極頭相對於所述中心電極在徑向上的相對移動的狀態下，在所述中心電極的前端面載置所 述貴金屬電極頭，通過在所述中心電極與所述貴金屬電極頭的邊界部分外緣照射雷射束或者電子 束，在所述中心電極的前端面與所述貴金屬電極頭的基端面的接觸部分，形成由所述中心 電極和所述貴金屬電極頭相互熔融而成的熔融部，由此將所述中心電極與所述貴金屬電極 頭接合。根據上述結構5，基本起到了與上述結構1相同的作用效果。結構6.在上述5的基礎上，本結構的火花塞的製造方法的特徵在於，設在包含所 述軸線的剖面中所述貴金屬電極頭的寬度為C。，設所述封閉空間的寬度為&，設所述封閉 空間的高度為SH時，滿足下述的算式(5)和算式(6)，Sx ( C0/2 ... (5)SH ^ Sj ... (6)根據上述結構6，基本起到了與上述結構2相同的作用效果。結構7.在上述結構5或6的基礎上，本結構的火花塞的製造方法的特徵在於，設 在包含所述軸線的剖面中所述貴金屬電極頭的寬度為C。，設所述封閉空間的寬度為&，設 所述熔融部中隔著所述軸線位於一方側的熔融部的熔融深度為LA，設所述熔融部中隔著所 述軸線位於另一方側的熔融部的熔融深度為！^時，滿足下述的算式(7)和算式(8)，La 彡[(Cq-Sj) /2] X 0. 7 ... (7)Lb 彡[(Cq-Sj) /2] X 0. 7 ... (8)根據上述結構7，基本上起到了與上述結構3相同的作用效果。結構8.在上述5至7中任意一項的基礎上，本結構的火花塞的製造方法的特徵在 於，以使所述熔融部不露出到所述封閉空間的方式照射所述雷射束或者電子束。根據上述結構8，起到了與上述結構4相同的作用效果。結構9.在上述結構5至8中的任意一項的基礎上，本結構的火花塞的製造方法的 特徵在於，所述限制部由設於所述中心電極的前端部的中心的凹部構成，通過將所述貴金屬 電極頭嵌合於所述凹部，限制所述貴金屬電極頭相對於所述中心電極在徑向上的相對移動。根據上述結構9，無需對貴金屬電極頭實施特殊的加工，僅通過對中心電極實施加 工，就能夠限制貴金屬電極頭相對於中心電極的相對移動。因此，能夠一併防止因加工貴金 屬電極頭造成的製造成本的增加、以及對中心電極和貴金屬電極頭雙方進行加工而產生的 生產效率的降低。


圖1是示出本實施方式的火花塞的結構的局部剖開主視圖。
圖2是示出火花塞前端部的結構的局部剖開放大主視圖。圖3是示出貴金屬電極頭相對於中心電極的接合狀態的局部放大剖視圖。圖4是示出在貴金屬電極頭接合前的、中心電極和貴金屬電極頭的局部放大剖視 圖。圖5(a)是用於說明實施例所述的樣本中氧化皮的大小的放大剖面示意圖，圖 5(b)是用於說明比較例所述的樣本中氧化皮的大小的放大剖面示意圖。圖6是示出直徑對電極頭比和間隙增加量的關係的圖表。
圖7是示出對內徑比和間隙增加量的關係的圖表。
圖8是示出其他實施方式中中心電極等的結構的局部放大剖視圖。
圖9是示出其他實施方式中中心電極等的結構的局部放大剖視圖。
圖10是示出其他實施方式中中心電極等的結構的局部放大剖視圖。
標記說明
1:火花塞(內燃機用火花塞)
2:絕緣子(絕緣體)
3 主體零件
4 軸孔
5 中心電極
5H 孔部(限制部)
5P:突出部(限制部)
26 主體零件的前端部
27 接地電極
31 貴金屬電極頭
31H:孔部(限制部)
31P:突出部(限制部)
33 火花放電間隙(間隙)
41 熔融部
42 封閉空間
CL1 軸線
具體實施例方式以下，參照附圖對一個實施方式進行說明。圖1是示出內燃機用火花塞(以下稱 作「火花塞」)1的局部剖開主視圖。另外，在圖1中，以火花塞1的軸線CL 1方向作為圖中 的上下方向，並以下側作為火花塞1的前端側，以上側作為後端側進行說明。火花塞1由形成為筒狀並作為絕緣體的絕緣子2、以及保持該絕緣子2的筒狀的主 體零件3等構成。絕緣子2公知由氧化鋁等燒結形成，其外形部具備形成於後端側的後端側胴部 10、在比該後端側胴部10靠前端側並向徑向外側突出形成的大直徑部11、以及在比該大直 徑部11靠前端側並且直徑形成得比該大直徑部11細的中胴部12。此外，絕緣子2在比所 述中胴部12靠前端側具備直徑形成得比該中胴部12細的長腳部13。而且，在絕緣子2中，大直徑部11、中胴部12以及大部分的長腳部13被收納於主體零件3的內部。並且，在長腳 部13與中胴部12的連接部形成錐狀的臺階部14，絕緣子2通過該臺階部14與主體零件3卡定。進而，在絕緣子2上沿軸線CL1貫穿形成有軸孔4，中心電極5從該軸孔4的前端 側插入並固定。該中心電極5整體呈杆狀(圓柱狀)，並從絕緣子2的前端突出。此外，中 心電極5具備由銅或銅合金構成的內層5A、以及由以鎳(Ni)為主要成分的鎳合金構成的外 層5B。進而，在所述中心電極5的前端部接合有由貴金屬合金(例如銥合金)形成的圓柱 狀的貴金屬電極頭31。此外，端子電極6在從絕緣子2的後端突出的狀態下插入並固定於軸孔4的後端 側。進而，在軸孔4的中心電極5與端子電極6之間，配設有圓柱狀的電阻體7。該電 阻體7的兩端部經由導電性的玻璃密封層8、9分別與中心電極5和端子電極6電連接。而且，所述主體零件3由低碳鋼等金屬形成為筒狀，在其外周面形成有用於將火 花塞1安裝於發動機蓋的螺紋部(陽螺紋部)15。此外，在螺紋部15的後端側的外周面形 成有座部16，環狀的密封墊片18嵌入於螺紋部15後端的螺紋頂17。進而，在主體零件3 的後端側設有在將火花塞1安裝到發動機蓋時用於與扳手等工具卡合的剖面為六邊形的 工具卡合部19，並且在後端部設有用於保持絕緣子2的鉚接部20。此外，在主體零件3的內周面設有用於卡定絕緣子2的錐狀的臺階部21。並且， 絕緣子2被從主體零件3的後端側朝向前端側插入，並且在自身的臺階部14卡合於主體零 件3的臺階部21的狀態下，從徑向內側鉚接主體零件3後端側的開口部，即通過形成上述 鉚接部20以進行固定。另外，在絕緣子2以及主體零件3雙方的臺階部14、21之間介有圓 環狀的襯墊板22。由此，保持了燃燒室內的氣密性，進入到曝於燃燒室內的絕緣子2的長腳 部13與主體零件3的內周面之間的空間的燃料空氣不會洩漏到外部。進而，通過鉚接使封閉更為周密，因此在主體零件3的後端側，在主體零件3與絕 緣子2之間介有環狀的圓環部件23、24，並在圓環部件23、24之間填充滑石(夕 > 々)25的 粉末。即，主體零件3通過襯墊板22、圓環部件23、24以及滑石25保持絕緣子2。此外，在主體零件3的前端部26設有一端與主體零件3的前端部26接合的杆狀 的接地電極27。接地電極27的大致中間部分彎折回，其另一端側側面與中心電極5的前端 部相對。該接地電極27為由外層27A和內層27B構成的兩層結構。在本實施方式中，所述 外層27A由鎳合金(例如、本> 600或4 > 二木凡601 (均為註冊商標))構成。另一 方面，所述內層27B由比所述鎳合金的導熱性優良的銅合金或者純銅構成。而且，在所述接地電極27的與所述貴金屬電極頭31的前端面相對的部位，接合有 由貴金屬合金(例如鉬合金等)形成的圓柱狀的貴金屬電極頭32。並且，在所述貴金屬電 極頭31、32之間形成作為間隙的火花放電間隙33。進而，在本實施方式中，如圖2所示，所述貴金屬電極頭31經由熔融部41與中心 電極5接合，所述熔融部41通過構成該貴金屬電極頭31的貴金屬合金與構成中心電極 5(的外層5B)的鎳合金相互熔融後固化而形成。此外，在中心電極5與貴金屬電極頭31的 基端部中央部分之間形成有圓柱狀的封閉空間42。並且，如圖3所示，在包含軸線CL1的剖面中，設貴金屬電極頭31的寬度(外徑)為C。(mm)，設封閉空間42的寬度為& (mm)時，構成為滿足& < C。/2。此外，在設封閉空間 42沿著軸線CL1的長度(高度)為SH(mm)時，構成為滿足SH ( &。進而，在設熔融部41中隔著軸線CL1位於一方側的熔融部41A的熔融深度為 LA(MM)，設熔融部41中隔著軸線CL1位於另一方側的熔融部41B的熔融深度為Lb (mm)時， 以滿足[(Qt^/^XO. *!^》[(QrSD/^XO. 的方式設定熔融部41的熔融深 度。另外，所謂「熔融深度」指的是熔融部41A(41B)中位於最靠軸線CL1方向前端側 的位置的部位與熔融部41A(41B)中位於最靠內側的位置的部位之間的、沿與軸線CL1正交 的方向的長度。而且，所述熔融部41形成為不露出到所述封閉空間42。接著，對如上所述地構成的火花塞1的製造方法進行說明。首先，對主體零件3進 行預加工。即，通過對圓柱狀的金屬材料(例如S17C或S25C之類的鐵類材料或不鏽鋼材 料)進行冷軋鍛造加工形成貫通孔，製造出大概形狀。然後，通過實施切削加工對外形進行 調整，得到主體零件中間體。接著，將由鎳合金等構成的直杆狀的接地電極27通過電阻焊接焊接於主體零件 中間體的前端面。由於在該焊接過程中會產生所謂「塌邊」，因此在除去該「塌邊」後，在主 體零件中間體的預定部位通過滾壓成形形成螺紋部15。由此，得到焊接有接地電極27的主 體零件3。並且，對焊接有接地電極27的主體零件3實施鍍鋅或者鍍鎳處理。另外，為了提 高耐腐蝕性，也可以在其表面實施鉻酸鹽光澤處理。進而，在接地電極27的前端部，通過電阻焊接或者雷射焊接等接合所述貴金屬電 極頭32。另外，為了使焊接更為可靠，在該焊接前除去焊接部位的鍍層，或者在鍍膜工序中 對預定焊接部位進行遮蔽。此外，也可以在後述的組裝之後進行該貴金屬電極頭32的焊 接。另一方面，在形成所述主體零件3之外，對絕緣子2進行成形加工。例如，採用以 氧化鋁為主體並含有粘合劑的原料粉末調製成形用素材造粒物，並利用該成形用素材造粒 物進行橡膠壓製成形，從而得到筒狀的成形體。並且，對得到的成形體實施磨削加工進行整 形，並且將整形得到的成形體放入燒結爐進行燒結，從而得到絕緣子2。此外，在形成所述主體零件3和絕緣子2之外，製造中心電極5。S卩，對在中央部 配置有用於提高散熱性的銅合金的鎳合金實施鍛造加工，得到圓柱狀的杆狀部件。並且，如 圖4所示，通過對所述杆狀部件的前端部實施切削加工等，製造具有從前端面突出的突出 部5P的中心電極5。另一方面，製造貴金屬電極頭31。S卩，準備主成分為銥的坯料，對該坯料實施熱軋 鍛造和熱壓壓延(槽輥壓延)。然後，通過實施拉絲加工得到杆狀材料，然後將其切斷成預 定長度。接著，在得到的圓柱狀的電極頭部件的端面形成可與所述中心電極5的突出部5A 嵌合的孔部31H。由此，得到貴金屬電極頭31。另外，所述孔部31H的深度形成為比所述突 出部5P的高度大。接下來，將貴金屬電極頭31相對於中心電極5接合。更為詳細地來說，將所述中 心電極5的突出部5P嵌合於貴金屬電極頭31的孔部31H，使中心電極5的前端面5F與 貴金屬電極頭31的基端面31F接觸。此時，如上所述地，所述孔部31H的深度大於所述突出部5P的高度，因此在孔部31H的底面與突出部5P的前端面之間形成封閉空間42。接 著，以軸線CL 1為中心軸使中心電極5等旋轉，同時間歇性地對中心電極5和貴金屬電極 頭31的邊界部分外緣照射雷射束。由此，在與軸線CL1正交的剖面中形成環狀的熔融部 41，將貴金屬電極頭31相對於中心電極5接合。另外，調節雷射焊接的輸出等，使得熔融 部41不會露出到封閉空間42，同時使所述熔融深度La、Lb滿足La彡[(Co-S^/2] X0. 7和 [(QtSJ/^IXO. 。此外，以至少中心電極5的前端面5F與貴金屬電極頭31的基端 面31F的接觸部分(圖4中以粗線示出的部位)形成熔融部41的方式進行。另外，所述突 出部5P和孔部31H相當於本發明的限制部。接著，將如上所述地得到的絕緣子2、中心電極5、電阻體7以及端子電極6利用玻 璃密封層8、9進行密封固定。玻璃密封層8、9 一般由硼矽酸玻璃和金屬粉末混合調製，在 將該調製好的混合物以夾持電阻體7的方式注入到絕緣子2的軸孔4內後，從後方按壓所 述端子電極6，同時在燒結爐內進行加熱以燒結。另外，此時，也可以在絕緣子2的後端側胴 部10表面同時燒成釉層，也可以在事前形成釉層。然後，將如上所述分別製作出的具有中心電極5和端子電極6的絕緣子2與具有 接地電極27的主體零件3組裝起來。更為詳細地來說，通過對壁部形成得比較薄的主體零 件3的後端側的開口部向徑向內側進行鉚接，即形成上述鉚接部20，從而進行固定。並且，最後，在使接地電極27從其中間部分向中心電極5側彎曲，並且實施調整貴 金屬電極頭31、32之間的火花放電間隙33的大小的加工，由此得到火花塞1。如以上所詳細敘述地，根據本實施方式，通過作為限制部的突出部5P和孔部31H 限制了貴金屬電極頭31相對於中心電極5在徑向上的相對移動。因此，在焊接時，能夠更 為可靠地防止熔融部41的大小隨著貴金屬電極頭31的偏心產生偏差，能夠實現焊接強度 的提高。此外，根據本實施方式，在中心電極5與貴金屬電極頭31的基端部中央部分之間 形成有封閉空間42。即，在焊接貴金屬電極頭31的時候，在中心電極5與貴金屬電極頭31 之間形成有空間的狀態下形成熔融部41。因此，與使中心電極5的前端面整個區域與貴金 屬電極頭31的基端面整個區域接觸的狀態相比，減少了中心電極5與貴金屬電極頭31的 接觸部分，從而不會使熔融能量增加，能夠在中心電極5與貴金屬電極頭31的接觸部分的 整個區域形成熔融部41。其結果是，防止了作為使耐損耗性和點火性能降低的原因的、熔融 金屬在貴金屬電極頭31的前端面的附著，能夠緩和在中心電極5和貴金屬電極頭31之間 產生的應力，能夠提高貴金屬電極頭31的耐剝離性。進而，由於滿足&彡C。/2且SH彡S」因此能夠使作為熱傳導路徑的、形成於封閉 空間42的外側的環狀部分具有足夠的剖面面積且比較短。由此，能夠充分地確保貴金屬電 極頭31的降溫性能，能夠實現耐損耗性的提高。此外，所述孔部31H的深度比所述突出部5P的高度大，因此在焊接時，在將貴金屬 電極頭31載置於中心電極5時，能夠更為可靠地使中心電極5的前端面5F與貴金屬電極 頭31的基端面31F接觸。因此，能夠更為可靠地形成熔融部41，能夠更為穩固地接合中心 電極5與貴金屬電極頭31。進而，由於熔融部41形成為不露出到封閉空間42，因此能夠更為可靠地防止熔融 部41產生氣孔，能夠有效地防止熔融部41的強度降低。
此外，熔融部41的熔融深度La、Lb形成為貴金屬電極頭31與中心電極5的接觸區 域的長度的一半[(QrS^/2]的0.7倍以上的足夠的深度。即，根據本實施方式，能夠通過 足夠深且強度優良的熔融部41，更可靠地吸收在中心電極5和貴金屬電極頭31之間產生的 應力差。其結果是，能夠盡力防止中心電極5與貴金屬電極頭31之間的氧化皮的發展，能 夠進一步提高貴金屬電極頭31的耐剝離性。接著，為了確認上述實施方式所起到的作用效果，進行了焊接偏差確認試驗。焊接 偏差確認試驗的概要如下所述。即，對下述兩種樣本各自製作5份在中心電極設置突出 部，並且在圓柱狀的貴金屬電極頭設置孔部，在將所述突出部嵌入於所述孔部的基礎上，對 中心電極和貴金屬電極頭進行雷射焊接的樣本(實施例)；分別使中心電極的前端面和貴 金屬電極頭的基端面平坦地形成，並將兩面重疊，然後對中心電極和貴金屬電極頭進行激 光焊接的樣本(比較例)。並且，對製作好的各樣本沿軸線進行切斷，並分別測定該剖面中 的兩個熔融部的熔融深度LXA、LB，並且求得兩個熔融深度的差的絕對值。在表1中，示出了 比較例所述的各樣本的熔融深度LA、LB、熔融深度的平均值(LA+LB)/2、以及熔融深度的差的 絕對值|LA-LB|。此外，在表2中，示出了實施例所述的各樣本的熔融深度『!^、熔融深度的 平均值(LA+LB)/2、以及熔融深度的差的絕對值|LA-LB|。另外，在各樣本中，作為貴金屬電極 頭，均採用外徑為0. 6mm、長度為0. 8mm的圓柱狀電極頭，此外，使雷射束的照射能量為20W 並對貴金屬電極頭進行接合。表1 表2 如表1所示，可以明確在比較例所述的樣本(樣本1 5)中，(La+Lb)/2的值差 異很大，並且|La-Lb|的值至少在0.05mm以上，熔融部的大小會產生偏差。這被認為是因為 在雷射焊接時，隨著中心電極和貴金屬電極頭的旋轉，貴金屬電極頭的中心軸相對於中心 電極的中心軸偏移，結果使從雷射照射口到照射對象的距離產生了偏差。另一方面，如表2所示，可以明確，在實施例所述的樣本(樣本6 10)中，各樣本 的(LA+LB)/2的值基本沒有差異，此外，|La-Lb|的值變得極小，熔融部形成為大致相等的大 小。這被認為是因為通過設置突出部和孔部，能夠防止貴金屬電極頭相對於中心電極的相 對移動，從而能夠有效地防止從雷射照射口到照射對象的距離產生偏差。接著，將實施例所述的樣本和比較例所述的樣本分別製作五份，並對各樣本進行 耐剝離性評價試驗。實施例所述的樣本為在中心電極與貴金屬電極頭之間形成封閉空間 後，以20W或者25W的雷射束照射能量形成熔融部，比較例所述的樣本為在中心電極與貴 金屬電極頭之間未形成封閉空間，而以20W或25W的照射能量形成熔融部。耐剝離性評價 試驗的概要如下所述。即，以使貴金屬電極頭的溫度達到900°C的方式加熱兩分鐘後，再逐 漸冷卻1分鐘，以此過程作為一個循環，對各樣本進行1000個循環的加熱、冷卻。接著，在 1000個循環結束後，如圖5(a)、(b)所示地，觀察各樣本的剖面，分別對兩個熔融部測定形 成於貴金屬電極頭或中心電極之間的氧化皮S(圖5中粗線所示的部位)沿與軸線CL1正 交的方向的長度SA、SB、以及上述熔融深度La、Lb。此後，以測定得到的氧化皮的長度的合計 值(SA+SB)除以所述熔融深度的合計值(La+Lb)並將結果乘以100，從而得到氧化皮的發展 比例(％)。另外，在一個熔融部剖面形成多處氧化皮的情況下，通過對各氧化皮的長度全 部進行合計以得到所述長度SA、SB。而且，在改變如上所述的照射能量的同時，製作多份具有封閉空間的實施例所述 的樣本和不具有封閉空間的比較例所述的樣本，通過觀察各樣本的表面，測定有熔融金屬 附著於貴金屬電極頭的前端面的樣本的製作比例(濺射發生比例)。在表3中示出了在比較例所述的樣本中，在照射能量為20W的情況下、以及照射能 量為25W的情況下，氧化皮的發展比例以及該發展比例的平均值。此外，在表4中示出了在 實施例所述的樣本中，在照射能量為20W的情況下、以及照射能量為25W的情況下，氧化皮 的發展比例以及該發展比例的平均值。而且，在表5中示出了在照射能量為20W的情況下、 以及照射能量為25W的情況下，比較例所述的樣本和實施例所述的樣本的濺射發生比例。表3
表 4 表5 如表3所示，可以明確比較例所述的樣本(樣本11 15)在照射能量為比較低的 20W的情況下容易發生氧化皮。另一方面，通過使照射能量增加到比較大的25W，能夠抑制 氧化皮的發生，然而如表5所示，隨著照射能量的增加，濺射發生比例也變得比較大。對此，如表4所示，可以明確實施例所述的樣本(樣本16 20)即使是在照射能 量為比較低的20W的情況下(即，能夠抑制濺射發生比例的條件下)，也能夠得到與照射能 量為25W的比較例所述的樣本同等程度的氧化皮的發展比例。這被認為是因為，通過在貴 金屬電極頭與中心電極之間形成封閉空間，減少了中心電極與貴金屬電極頭的接觸部分，因此能夠以比較低的能量在中心電極的前端面與貴金屬電極頭的基端面的接觸部分的大 致整個區域中形成熔融部。接著，製作如下的火花塞的樣本在使從貴金屬電極頭的前端面到熔融部為止的 沿著軸線的距離為0. 15mm的同時，對圓柱狀的封閉空間的寬度(相當於內徑進行各 種變更，並且將各樣本組裝於排氣量為2000CC的四汽缸發動機並進行相當於行駛10萬km 的耐久試驗。然後，在試驗結束後，測定各樣本的火花放電間隙的增加量(間隙增加量)。 另外，使各樣本的貴金屬電極頭的外徑C。均為0. 6mm，熔融前的貴金屬電極頭的高度均為 0.5mm。此外，使封閉空間沿軸線的高度為0.2mm。在表6中，示出了所述封閉空間的內徑 &、所述封閉空間的內徑&相對於貴金屬電極頭的外徑C。的比(&/C。；以下稱作直徑對電 極頭比)、以及間隙增加量。此外，在圖6中示出了表示所述直徑對電極頭比與間隙增加量 的關係的圖表。表6 如表6和圖6所示，可以知道直徑對電極頭比(&/C。)超過50%的樣本的間隙增 加量超過0. 15mm(S卩，熔融部露出到火花放電間隙)，從而耐損耗性不夠充分。另一方面，直 徑對電極頭比飯/C。)在50%以下的樣本的間隙增加量不足0. 15mm(即，熔融部未露出到 火花放電間隙)，具有優良的耐損耗性。這被認為是因為位於封閉空間的外側的環狀部分形 成為具有足夠大的剖面面積，從而高效地進行了從貴金屬電極頭到中心電極的熱傳導。接著，製作具有外徑為0. 6mm且熔融前的高度為0. 5mm的貴金屬電極頭(貴金屬 電極頭A)或者外徑為0. 8mm且熔融前高度為0. 5mm的貴金屬電極頭(貴金屬電極頭B)，並 對圓柱狀的封閉空間的高度SH(mm)進行各種變更的火花塞的樣本，並且對各樣本進行上述 的耐久試驗，測定間隙增加量。另外，在具有貴金屬電極頭A的樣本中，使封閉空間的內徑
3mm，另一方面，在具有貴金屬電極頭B的樣本中，使封閉空間的內徑&為0. 4mm。在 表7中，示出了在具有貴金屬電極頭A的樣本中，封閉空間的高度、封閉空間的高度相對於 封閉空間的內徑的比(SH/SI;以下稱作對內徑比)、以及間隙增加量。此外，在表8中，示出 了在具有貴金屬電極頭B的樣本中，封閉空間的高度SH、對內徑比、以及間隙增加量。此外， 在圖7中，示出了表示各個樣本的對內徑比與間隙增加量的關係的圖表。另外，在圖7中， 將具有貴金屬電極頭A的樣本的試驗結果以黑色四方形標出，將具有貴金屬電極頭B的樣 本的試驗結果以黑色三角形標出。表7
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(m)軎邶尉潮_如表7、8和圖7所示，對內徑比(S/S》在100%以下的樣本的間隙增加量不足 0. 15mm，能夠實現良好的耐損耗性。這被認為是因為位於封閉空間的外側的環狀部分形成 得比較短，從而高效地從貴金屬電極頭向中心電極進行熱傳遞。以上，對各試驗的結果進行總體地分析，為了實現焊接強度的提高，優選在限制貴金屬電極頭相對於中心電極在徑向上的相對移動的同時對兩者進行焊接，為了一併抑制焊 接不良(濺射)以及氧化皮，優選在中心電極與貴金屬電極頭之間形成封閉空間。此外，從實現耐損耗性的提高的觀點來看，優選使封閉空間的內徑(寬度)在貴金 屬電極頭的外徑(寬度)的一半以下(即，滿足hSC。/〗)，並且使封閉空間的高度在封閉 空間的內徑(寬度)以下(即，滿足ShSS》。接下來，通過改變熔融部的熔融深度La、Lb的大小，從而製作對貴金屬電極頭的寬 度C。和封閉空間的寬度&的差值的一半[(QrS^/2]相對於所述熔融深度LA、LB的比例 (熔融比例)進行了各種變更的火花塞的樣本，並且對各樣本進行上述的耐剝離性評價試 驗，求得氧化皮的發展比例。在表9中示出了該試驗的試驗結果。另外，各樣本以使熔融深 度La、Lb大小相同的方式形成熔融部。此外，使貴金屬電極頭的寬度C。為0. 7mm，使封閉空 間的寬度&為0. 2mm。而且，貴金屬電極頭由鉬_5銥合金形成。表9 如表9所示，可以明確熔融比例在70%以上的樣本的氧化皮的發展被有效地抑 制，並且具有優良的耐剝離性。此外，通過進一步增大熔融比例，能夠實現更為優良的耐剝離性。根據上述結果，為了實現耐剝離性的進一步提高，可以說優選熔融比例、即 [(Co-S^/21/L^P [(Qt^/^/Lb在0.7以上。此外，為了進一步提高耐剝離性，可以說優 選熔融比例在0. 8以上，更為優選的是熔融比例在1. 0以上。然而，從防止熔融部形成時的氣孔的產生、以及防止熔融部的強度降低的觀點來 看，優選以熔融部不露出到封閉空間的方式設定熔融比例。另外，並不限定於上述實施方式的記載內容，例如也可以如下所述地進行實施。當 然，也可以有未在以下示出的其他的應用例、變更例。(a)在上述實施方式中，由形成於中心電極5的突出部5P、以及形成於貴金屬電極 頭31的孔部31H，構成用於限制貴金屬電極頭31相對於中心電極5在徑向上的相對移動 的限制部，然而限制部的結構並不限定於此。因此，如圖8所示，也可以由形成於中心電極 5的孔部5H以及形成於貴金屬電極頭31的、可與所述孔部5H嵌合的突出部31P構成限制部。此外，考慮到在貴金屬電極頭31形成上述孔部31H或突出部31P會使成本增加 等，如圖9、10所示，也可以不對貴金屬電極頭31實施特殊的加工，通過在中心電極5設置 作為限制部的凹部5D、5E，從而限制貴金屬電極頭31相對於中心電極在徑向上的相對移 動。另外，在設置凹部5D、5E的情況下，為了形成封閉空間42，例如可以如圖9所示地將凹 進部5D形成為錐狀，或者如圖10所示地在凹部5E的底面設置孔部5C(圖8 圖10示出 的是形成熔融部41之前的狀態)。另外，在圖9中，在將中心電極5與貴金屬電極頭31接合時，將所述凹部5D的外周部分與貴金屬電極頭31基端面的外周部分焊接。(b)在上述實施方式中，在接地電極27的前端部設有貴金屬電極頭32，然而也可 以構成為省略貴金屬電極頭32。(c)在上述實施方式中，在包含軸線CL1的剖面中封閉空間42形成為長方形狀，然 而封閉空間42的形狀並不限定於此。因此，在包含軸線CL1的剖面中，也可以使封閉空間 42形成為三角形狀或梯形形狀。在該情況下，封閉空間42的寬度&被稱為封閉空間42的 寬度的最大值，封閉空間42的高度311被稱為封閉空間42的高度的最大值。(d)在上述實施方式中，具體描述了接地電極27接合於主體零件3的前端部26的 前端面的情況，然而本發明也可以應用於對主體零件的一部分(或者預先焊接於主體零件 的前端模具的一部分)進行切削以形成接地電極的情況(例如，日本特開2006-236906號 公報等)。此外，也可以在主體零件3的前端部26的側面接合接地電極27。(e)在上述實施方式中，工具卡合部19形成為剖面呈六邊形的形狀，然而工具卡 合部19的形狀並不限定於該種形狀。例如，也可以形成為Bi-HEX(變形十二邊形)形狀 [IS022977 :2005(E)]等。
權利要求
一種內燃機用火花塞，其特徵在於，具有中心電極，沿軸線延伸，並具有前端部和外周面；筒狀的絕緣體，該絕緣體設於所述中心電極的外周面周圍，並且具有外周面；筒狀的金屬殼，該金屬殼設於所述絕緣體的外周面周圍，並且具有前端部；貴金屬電極頭，設於所述中心電極的前端部，所述貴金屬電極頭包括前端部和基端部；接地電極，所述接地電極的一端固定於所述金屬殼的前端部，所述接地電極的另一端與所述貴金屬電極頭的前端部之間形成有間隙；限制部，設於所述中心電極和所述貴金屬電極頭中的至少一方，所述限制部限制所述貴金屬電極頭相對於所述中心電極的移動；熔融部，焊接所述中心電極以及所述貴金屬電極頭的基端部的至少一部分；以及封閉空間，形成在所述貴金屬電極頭的基端部的中央部分與所述中心電極之間。
2.根據權利要求1所述的內燃機用火花塞，其特徵在於， 所述熔融部通過照射雷射束或電子束而形成。
3.根據權利要求1或2所述的內燃機用火花塞，其特徵在於， 所述限制部作為所述貴金屬電極頭或所述中心電極的一部分而設置。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的內燃機用火花塞，其特徵在於，在包含所述軸線的剖面中觀察所述火花塞時，所述貴金屬電極頭的寬度C。、所述封閉 空間的寬度&、所述封閉空間的高度SH滿足下述關係 Sx ^ C0/2 且
5.根據權利要求1至4中任一項所述的內燃機用火花塞，其特徵在於，在包含所述軸線的剖面中觀察所述火花塞時，所述貴金屬電極頭的寬度C。、所述封閉 空間的寬度&、所述熔融部中隔著所述軸線位於一方側的熔融部的熔融深度LA、所述熔融 部中隔著所述軸線位於另一方側的熔融部的熔融深度lb滿足下述關係 La ^ [(Co-S^^JXO. 7 Lb ^ [(Co-S^^JXO. 7
6.根據權利要求1至5中任一項所述的內燃機用火花塞，其特徵在於， 所述熔融部不露出到所述封閉空間。
7.一種火花塞的製造方法，所述火花塞具有 中心電極，沿軸線延伸，並具有前端部和外周面；筒狀的絕緣體，該絕緣體設於所述中心電極的外周面周圍，並且具有外周面；筒狀的金屬殼，該金屬殼設於所述絕緣體的外周面周圍，並且具有前端部；貴金屬電極頭，設於所述中心電極的前端部，所述貴金屬電極頭包括前端部和基端部；熔融部，通過焊接所述中心電極以及所述貴金屬電極頭而形成； 限制部，設於所述中心電極和所述貴金屬電極頭中的至少一方；以及 接地電極，所述接地電極的一端固定於所述金屬殼的前端部，所述接地電極的另一端 與所述貴金屬電極頭的前端部之間形成有間隙，該火花塞的製造方法的特徵在於，包括在所述中心電極與所述貴金屬電極頭的基端部的中央部分之間形成封閉空間； 在所述限制部限制所述貴金屬電極頭相對於所述中心電極移動時，在所述中心電極的 前端部載置所述貴金屬電極頭；通過在所述中心電極和所述貴金屬電極頭之間的邊界的外表面使所述中心電極和所 述貴金屬電極頭熔融，在所述中心電極的前端部的表面和所述貴金屬電極頭的基端部的表 面接觸的部分形成所述熔融部；通過所述熔融部的形成，將所述中心電極和所述貴金屬電極頭焊接。
8.根據權利要求7所述的火花塞的製造方法，其特徵在於，通過在所述中心電極和所述貴金屬電極頭之間的邊界的外表面照射雷射束或電子束 來形成所述熔融部。
9.根據權利要求7或8所述的火花塞的製造方法，其特徵在於， 所述限制部作為所述貴金屬電極頭或所述中心電極的一部分而設置。
10.根據權利要求7至9中任一項所述的火花塞的製造方法，其特徵在於，在包含所述軸線的剖面中觀察所述火花塞時，所述貴金屬電極頭的寬度C。、所述封閉 空間的寬度&、所述封閉空間的高度SH滿足下述關係 Sj ^ C0/2 且
11.根據權利要求7至10中任一項所述的火花塞的製造方法，其特徵在於，在包含所述軸線的剖面中觀察所述火花塞時，所述貴金屬電極頭的寬度C。、所述封閉 空間的寬度&、所述熔融部中隔著所述軸線位於一方側的熔融部的熔融深度LA、所述熔融 部中隔著所述軸線位於另一方側的熔融部的熔融深度Lb滿足下述關係 LA ^ [(Co-S^^JXO. 7 LB ^ [(Co-S^^JXO. 7
12.根據權利要求7至11中任一項所述的火花塞的製造方法，其特徵在於， 以使所述熔融部不露出到所述封閉空間的方式照射所述雷射束或者電子束。
13.根據權利要求7至12中任一項所述的火花塞的製造方法，其特徵在於， 所述限制部是形成於所述中心電極的前端部的中心的凹部，通過將所述貴金屬電極頭嵌合於所述凹部，所述限制部限制所述貴金屬電極頭相對於 所述中心電極的移動。
全文摘要
本發明提供內燃機用火花塞及其製造方法，使貴金屬電極頭相對中心電極的焊接強度提高，且不會導致耐損耗性或點火性能降低，更可靠地提高貴金屬電極頭的耐剝離性。火花塞具有沿軸線方向延伸的中心電極、設於中心電極的前端部的貴金屬電極頭、以及由中心電極和貴金屬電極頭相互熔融形成的熔融部。通過設於中心電極和貴金屬電極頭的至少一方的限制部限制貴金屬電極頭相對於中心電極在徑向上的相對移動，然後通過照射雷射束等形成熔融部。貴金屬電極頭的基端部的至少一部分經由熔融部接合於中心電極，在貴金屬電極頭的基端部中央部分與中心電極之間形成封閉空間。
文檔編號H01T13/20GK101859984SQ20101016432
公開日2010年10月13日 申請日期2010年4月9日 優先權日2009年4月9日
發明者中村通, 那須弘哲 申請人:日本特殊陶業株式會社