专利名称：火花塞及火花塞的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种火花塞及其制造方法。
在本申请的申请人所提出的在先申请发明(特开平3-176979号公报)中，公开了将接地电极侧的贵重金属点火部细直径化的具体构造。在该公报的图2所示的火花塞中，将细直径的圆柱状的由Ir或Ir合金构成的电极头与Ni类电极母材直接接合，或者在中间夹有Pt类金属中间层的状态下通过电气焊接(电阻焊接)而接合。通过电气焊接，电极头被通电加热而成为可以变形加工的状态，通过加压，电极头的接合侧基部变形而形成凸缘部。通过该凸缘部的形成而使接合面积增大，能够以足够的强度用细直径的电极头进行接合，这些是上述在先申请发明的主要宗旨。
但是根据之后的研究发现，为了将贵重金属电极头相对于电极以足够的强度进行接合，在成为接合处的接地电极侧的构成金属部和贵重金属电极头之间，必须形成一定厚度以上的合金层。在此，在先申请发明中作为贵重金属电极头的材料所使用的Ir的熔点为2400℃以上的高温，为形成合金层必须电阻加热至相应的高温。但是，作为接地电极侧的构成金属部的Ni类电极母材和Pt类金属中间层与Ir相比熔点都非常低(Ni的熔点为1453℃，Pt的熔点为1769℃)。因此，若电阻加热至与Ir合金化必须的温度，如
图13所示，由于贵重金属电极头32′，接地电极4侧的构成金属部过渡软化而显著变形，极难形成正常的点火部。另外，因为接地电极4显著软化，而不能充分阻止贵重金属电极头32′对接合侧基部的压缩变形力，凸缘部32t不能扩大到预想的程度，而且大部分的凸缘部被埋在接地电极4内的概率很高。即，如此得到的点火部32因为凸缘部32t没有以足够的宽度形成，或者被埋在电极中，所以只能形成这样的构造，即从接地电极4突出的基端部(突出基端部)的周围被熔点低的电极母材4的露出表面包围。
另外，如图14所示，可以考虑将接地电极4侧的Ir类贵重金属电极头32′与中心电极侧同样通过激光焊接而接合的方法。但是，在采用激光焊接的情况下，如图14所示，成为接合部的焊接焊缝WB沿着所得到的点火部32的突出基端部的周围以相应的宽度(例如0.2mm以上)形成。因为激光束LB引起热集中，所以电极母材和贵重金属电极头32′双方以熔解状态相互熔入后凝固而形成该焊接焊缝WB，贵重金属电极头32′的相应部分形成所谓的侵入形状。当然，该焊接焊缝WB因为例如是由大量Ni类金属构成的电极母材熔入的，所以与由Ir类金属构成的点火部32相比熔点明显下。即形成了这样的构造所得到的点火部32的突出基端部的周围被熔点低的焊接焊缝WB包围。
在此需要注意，当将接地电极4侧的点火部32细直径化时，容易引起下面这样的现象。即，近年来，为实现内燃机构的高效率化和贫燃化，将燃料的喷射压力增高，另外，也朝着采用向燃烧室直接喷射燃料的直喷式发动机的方向发展，因此燃烧室内的气流格外激烈。为了提高着火性能等而将点火部32细直径化，当然火花飞溅的点火部前端面的面积也减小。如图15所示，若火花飞溅过程中从横向方向受到上述那样强的气流，则火花SP流动而从点火部32的前端面偏离，在包围该突出基端部的周围电极面之间容易产生飞溅火花。此时，如图13或图14所示，若由比点火部32熔点低的电极母材和焊接焊缝WB构成周围电极面，则如图15所示，该部分由于火花烧蚀而被剜掉，从而产生偏烧蚀，产生接地电极4的寿命很早就结束的问题。
本发明的目的在于提供一种火花塞，具有这样的构造，即在接地电极侧突出形成有贵重金属点火部，即使在由于气流而使火花容易流动的使用环境下，也难以产生对接地电极的偏烧蚀；以及提供一种在得到该构造基础上的适当的火花塞的制造方法。
为解决上述课题，本发明的火花塞，使固定在接地电极的侧面的接地电极侧点火部与固定在中心电极的前端的贵重金属制的中心电极侧点火部对向而设，从而在该中心电极侧点火部和接地电极侧点火部之间形成火花放电间隙，前述接地电极侧点火部是由以Pt为主要成分的贵重金属构成，通过厚度在0.5μm以上100μm以下的合金层而接合于前述接地电极，该合金层是将两部分的构成金属成分合金化而成，而且，前述接地电极侧点火部面临前述火花放电间隙的前端面比固定于前述接地电极的底面的直径小，并且，前述前端面从前述接地电极的前述侧面起更向中心电极前端侧突出，当从前述前端面侧俯视前述接地电极侧点火部时，以包围住该前端面的周围的形式，前述接地电极侧点火部的表面的一部分作为露出前述接地电极的侧面的周围露出区域面而被看到。
另外，本说明书中的“主要成分”，是指材料中含量最高的成分。
上述本发明的火花塞中，由于接地电极侧点火部的前端面比接地电极的侧面向中心电极前端面侧突出，并且前端面具有与底面相比直径缩小的形状，所以有助于提高着火性能和降低放电电压。而且，因成为接地电极侧点火部前端面的周围区域的周围露出区域面为贵重金属面，所以即使在火花因气流而流动，偏离至接地电极侧点火部的前端面外侧而飞溅的情况下，因为是由贵重金属构成的周围露出区域面接受火花，所以可以防止电极的偏烧蚀。
而且，接地电极侧点火部是由以Pt为主要成分的金属构成，通过厚度在0.5μm以上100μm以下的合金层而接合于接地电极。由此合金层的厚度范围被限制在上述这样的数值内，所以成为周围露出区域面的贵重金属面因为伴随着接合的合金层的形成而不会导致过度侵入，对偏烧蚀的防止更加有利。另外，本说明书中的“合金层的厚度”是指相对于接地电极侧点火部和合金层的交界处的垂直方向的距离。
另外，在通过贵重金属电极头的接合而形成接地电极侧点火部的情况下，为了接合的合金层的上述厚度范围以形成比较宽的焊接焊缝的激光焊接是非常难以实现的，但是反之采用电阻焊接法就能很容易的实现。在本发明的火花塞的第一构成中，如前述的特开平3-176979号公报中公开的火花塞那样，接地电极侧点火部并不是由Ir类金属构成的，而是由以比其熔点低的Pt为主要成分的金属构成的，因此以电阻焊接可以没有问题的进行接合。
若合金层的厚度不到0.5μm，则接地电极侧点火部的接合强度就不够充分，容易产生点火部的剥离。另外，采用通常条件下的电阻焊接的情况下，合金层形成为例如0.1μm～1μm左右的厚度，但是由于在电阻焊接后进行热扩散处理，合金层的厚度有可能会增加到100μm的程度。但是若为100μm以上的厚度，就会导致热处理时间长而制造效率变差。
另外，接地电极侧点火部可以将含有底面侧的基端部埋设在接地电极中。由于埋设接地电极侧点火部的基端部，点火部的接合强度更进一步提高，在这种情况下，以包围住该被埋设的点火部的基端部周侧面的形式形成合金层，但是若该厚度超过100μm，则点火部的周围露出区域面的周缘部由合金层过度侵入，周围露出区域面的实际宽度减少，电极偏烧蚀的防止效果变得不充分。
另外，本说明书中的“合金层”是以具有如下那样的构成的区域而定义的。即，为了形成点火部而焊接接合的贵重金属电极头中，将没有受到由焊接造成的组成变动的影响的部分的Pt浓度设为CPt1，另外，将焊接贵重金属电极头的接地电极的、没有受到由焊接造成的组成变动的影响的部分的Pt浓度设为CPt2。而在接地电极和接地电极侧点火部之间具有两者的中间的Pt组成的区域中，其Pt浓度CPt3满足下述条件的区域成为合金层，即，0.2(CPt1-CPt2)+CPt2≤CPt3≤0.8(CPt1-CPt2)+CPt2。
另外，各部分的Pt浓度可以通过公知的分析方法，例如电子束探头微观分析(Electron Probe Micro AnalysisEPMA)进行确定。例如，由穿过接地电极侧点火部的前端面的几何重心位置、并包含有与中心电极的轴线平行的直线的平面将接地电极侧点火部及其周边部切断，通过EPMA的线分析或者面分析测定该断面上的Pt浓度分布，由此可以识别合金层。
更进一步，为解决上述课题的本发明的火花塞，使通过缓和金属部固定在接地电极的侧面的接地电极侧点火部与固定在中心电极的前端的贵重金属制的中心电极侧点火部对向而设，从而在该中心电极侧点火部和接地电极侧点火部之间形成火花放电间隙，
前述接地电极侧点火部由以Pt为主要成分的贵重金属构成，并且，前述缓和金属部由线膨胀系数在构成前述接地电极的金属和构成该接地电极侧点火部的贵重金属之间的金属构成，在前述接地电极侧点火部和前述缓和金属部之间，形成有将构成两部分的金属成分合金化的、厚度在0.5μm以上100μm以下的第1合金层，而且，前述接地电极侧点火部面临前述火花放电间隙的前端面比固定于前述缓和金属部的底面的直径小，并且前述前端面从前述接地电极的前述侧面起更向中心电极前端侧突出，当从前述前端面侧俯视前述接地电极侧点火部时，以包围住该前端面的周围的形式，前述接地电极侧点火部的表面的一部分作为露出前述接地电极的侧面的周围露出区域面而被看到。
在上述本发明的火花塞中，接地电极侧点火部的前端面从接地电极的侧面起更向中心电极前端侧突出，并且前端面具有与底面相比直径缩小的形状，所以有助于提高着火性能和降低放电电压。另外，因成为接地电极侧点火部前端面的周围区域的周围露出区域面为贵重金属面，所以即使在火花因气流而流动，偏离至接地电极侧点火部的前端面外侧而飞溅的情况下，因为是由贵重金属构成的周围露出区域面接受火花，所以可以防止电极的偏烧蚀。
另外，接地电极侧点火部由以Pt为主要成分的金属构成，并且，缓和金属部是由具有接地电极的构成金属和该接地电极侧点火部的构成贵重金属的中间的线膨胀系数的金属构成，在接地电极侧点火部和缓和金属部之间，形成有将两部分的构成金属成分合金化的厚度在0.5μm以上100μm以下的第1合金层。由此，第1合金层的厚度范围被限制在上述那样的数值内，所以成为周围露出区域面的贵重金属面因为伴随着接合的第1合金层的形成而不会导致过度侵入。其结果是，在接地电极侧点火部的前端面周围能够确保足够宽度的贵重金属面，对偏烧蚀的防止更加有利。另外，本说明书中的“第1合金层的厚度”是指相对于接地电极侧点火部和第1合金层的交界处的垂直方向的距离。
另外，在通过贵重金属电极头的接合而形成接地电极侧点火部的情况下，为了接合的第1合金层的上述厚度范围以形成比较宽的焊接焊缝的激光焊接是非常难以实现的，但是反之采用电阻焊接法就能很容易的实现。进而，由于是由以比Ir熔点底的Pt为主要成分的金属构成的，因此以电阻焊接可以没有问题的进行接合。
若第1合金层的厚度不到0.5μm，则接地电极侧点火部的接合强度就不够充分，容易产生点火部的剥离。另外，采用通常条件下的电阻焊接的情况下，第1合金层形成为例如0.1μm～1μm左右的厚度，但是由于在电阻焊接后进行热扩散处理等，第1合金层的厚度有可能会增加到100μm的程度。但是若为100μm以上的厚度，就会导致热处理时间长而制造效率变差。
另外，接地电极侧点火部可以将含有底面侧的基端部埋设在缓和金属部中。由于埋设接地电极侧点火部的基端部，点火部的接合强度可以更进一步提高。在这种情况下，以包围住该被埋设的点火部的基端部周侧面的形式形成第1合金层，但是若该厚度超过100μm，则点火部的周围露出区域面的周缘部由第1合金层过度侵入，周围露出区域面的实际宽度减少，电极偏烧蚀的防止效果变得不充分。
另外，本说明书中的“第1合金层”是以具有如下那样的构成的区域而定义的。即，为了形成点火部而焊接接合的贵重金属电极头中，将没有受到由焊接造成的组成变动的影响的部分的Pt浓度设为CPt4。另外，将焊接贵重金属电极头的缓和金属部的、没有受到由焊接造成的组成变动的影响的部分的Pt浓度设为CPt5。而在缓和金属部和接地电极侧点火部之间具有两者的中间的Pt组成的区域中，其Pt浓度CPt6满足下述条件的区域成为第1合金层，即，
0.2(CPt4-CPt5)+CPt5≤CPt6≤0.8(CPt4-CPt5)+CPt5。
另外，各部分的Pt浓度可以通过公知的分析方法、例如电子束探头微观分析(Electron Probe Micro AnalysisEPMA)进行特定。例如，由穿过接地电极侧点火部的前端面的几何重心位置、并包含有与中心电极的轴线平行的直线的平面将接地电极侧点火部及其周边部切断，通过EPMA的线分析或者面分析测定该断面上的Pt浓度分布，由此可以识别第1合金层。
本发明的火花塞，优选将前述中心电极侧点火部的前端面和前述接地电极侧点火部的前端面之间的、沿前述中心电极的轴线方向的最短距离设为G，另一方面，将前述中心电极侧点火部的前述前端面的外周缘和前述周围露出区域面的外周缘之间的最短距离连接线的长度设为L时，则满足1.3G≤L≤3G， ①并且，优选在向与前述中心电极的轴线正交的平面的正投影中，将前述周围露出区域面的宽度设为A，将前述接地电极的宽度设为W，将接地电极侧点火部的前端面的直径设为d，则满足0.15≤A≤{(W-d)/2}-0.4(单位mm)②另外，本说明书中的“周围露出区域面的宽度”是指在上述正投影中，有关接地电极侧点火部的前端面的几何重心位置的半径方向的、周围露出区域面的平均尺寸。
如图2所示，在中心电极3的轴线O的方向上，若以周围露出区域面32p的外周缘32e为基准位置，则上述尺寸L由接地电极侧点火部32的前端面32t的从该基准位置的突出高度t和周围露出区域面32p的宽度A确定。所以即使A是无限接近零的数值，只要适当设定前端面32t的突出高度t，就可以将L设定为相当于火花放电间隙g的间隙长的尺寸G的1.3倍以上。但是，如此的结果是火花流动而从前端面32t偏离，恰好落到周围露出区域面32p的外面，而完全无法得到防止接地电极4的偏烧蚀的效果。
本发明者根据试验而研究的结果是，判明火花由于气流而流动时，以周围露出区域面接受火花而防止电极的偏烧蚀的效果是在同时满足周围露出区域面的宽度A为0.15mm以上、和上述定义的G和L满足1.3G≤L时特别显著。
另外，在A＜0.15mm时，无法得到本发明的抑制偏烧蚀的效果。另外，即使在1.3G＞L的情况下，也无法得到抑制偏烧蚀的效果。
进一步，若A＞{(W-d)/2}-0.4，则用于形成接地电极侧点火部的贵重金属电极头的尺寸过大，材料成本增大之外，还连带着贵重金属电极头本身或者焊接垂液部分在接地电极的宽度方向伸出的问题。另外，若L＞3G，则成为前端面32t的突出高度过高，或者周围露出区域面的宽度A过大中的任何一种状况。在前一情况下，接地电极侧点火部的高度过高的结果是，热传导恶化，点火部前端的温度过度上升，使电极消耗加速，使火花塞的寿命非常早的结束。另一方面，后一情况与A＞{(W-d)/2}-0.4的情况相同。
另外，优选接地电极侧点火部的前端面的、从上述基准位置的突出高度为0.3mm以上1.5mm以下。如果该突出高度超过1.5mm以上，则热传导恶化，点火部前端的温度过度上升，使电极消耗加速，使火花塞的寿命非常早的结束。另外，若不足0.3mm，则由于使点火部突出而提高着火性能的效果不充分。另外，基准位置为包含周围露出区域面的外周缘的平面。
另外，从提高着火性能的观点看，将接地电极侧点火部的前端面的、从接地电极侧面的突出高度H设定为0.5mm以上更好。在此情况下，从接地电极侧面的突出高度H在从前述基准位置的突出高度不超过1.5mm的范围内设定。还有，突出高度H是以在接地电极侧面，除去伴随着贵重金属电极头的接合而形成于接地电极侧点火部的周围的隆起部之外的、平坦的平面区域为基准进行测定的。
接地电极侧点火部的前端面的直径d优选为0.3mm以上0.9mm以下。该直径d若不足0.3mm，则接地电极侧点火部的烧蚀过于激烈，火花塞的寿命会非常早的结束。另一方面，若直径d超过0.9mm时，提高着火性能的效果就不充分。
进一步，优选整个前述周围露出区域面，与前述接地电极的侧面相比，是在前述中心电极侧。由此，与中心电极侧点火部的前端面的距离比接地电极的侧面近，更加不会向接地电极侧飞溅火花，可以防止电极的偏烧蚀。
接着，本发明的火花塞的制造方法，该火花塞使固定在接地电极的侧面的贵重金属制的接地电极侧点火部与固定在中心电极的前端的贵重金属制的中心电极侧点火部对向而设，从而在该中心电极侧点火部和接地电极侧点火部之间形成火花放电间隙，并且前述接地电极侧点火部面临前述火花放电间隙侧的前端面比接合于前述接地电极的底面的直径小，并且前述前端面从前述接地电极的前述侧面向中心电极前端侧突出，当从前述前端面侧俯视前述接地电极侧点火部时，以包围住该前端面的周围的形式，前述接地电极侧点火部的表面的一部分作为露出前述接地电极的侧面的周围露出区域面而被看到，其特征在于，该制造方法包括在与前述接地电极接合之前，通过加工以Pt为主要成分的贵重金属材料，制造出前端面比底面的直径小的接地电极侧点火部用的贵重金属电极头的电极头制造工序；以及将所制造的前述贵重金属电极头在底面侧与接地电极叠合，在从前述前端面侧俯视前述贵重金属电极头时成为前述前端面的周围区域的电极头表面上，选择性地施加使前述贵重金属电极头和前述接地电极紧密接合的压紧力，在该状态下，通过电阻焊接将该贵重金属电极头和接地电极接合的电阻焊接工序。
在特开平3-176979号公报中，为了形成具有周围露出区域面的接地电极侧点火部，采用在电阻焊接时使Ir类金属电极头的基端部压缩变形而形成凸缘部的方法。但是，因为Ir类金属的熔点较高，在接合不充分之外，使电极头压缩变形实际上是困难的，结果是出现凸缘部以及周围露出区域面不能充分形成的问题。而在上述本发明的方法中，通过对以Pt为主要成分的贵重金属材料的加工(例如镦锻加工等的塑性加工)，预先制造前端面比底面直径小的接地电极侧点火部用的贵重金属电极头，将该贵重金属电极头与接地电极叠合并进行电阻焊接。即，在电极头制造阶段可以充分确保周围露出区域面，所以在电阻焊接中就不必要使电极头变形。另外，接地电极侧点火部不是由Ir类金属构成，而是由熔点低的Pt类金属构成，所以通过电阻焊接可以容易的得到良好的接合状态。进一步，成为前端面的周围区域(即成为周围露出区域面的部分)的电极头表面上，选择性的施加使贵重金属电极头和接地电极紧密接合的压紧力，在该状态下，将该贵重金属电极头和接地电极进行电阻焊接，所以焊接时不必担心使点火部的前端面损伤或变形。
进一步，本发明的火花塞的制造方法，该火花塞使通过缓和金属部固定在接地电极的侧面的贵重金属制的接地电极侧点火部与固定在中心电极的前端的贵重金属制的中心电极侧点火部对向而设，从而在该中心电极侧点火部和接地电极侧点火部之间形成火花放电间隙，并且，前述接地电极侧点火部面临前述火花放电间隙的前端面比接合于前述缓和金属部的底面的直径小，并且，前述前端面从前述接地电极的前述侧面向中心电极前端侧突出，进一步，当从前述前端面侧俯视前述接地电极侧点火部时，以包围住该前端面的周围的形式，前述接地电极侧点火部的表面的一部分作为露出前述接地电极的侧面的周围露出区域面而被看到，其特征在于，该制造方法包括在与前述接地电极接合之前，通过加工以Pt为主要成分的贵重金属材料，制造出前端面比底面的直径小的接地电极侧点火部用的贵重金属电极头的电极头制造工序；以及将线膨胀系数在前述接地电极的构成金属和该接地电极侧点火部的构成金属之间的的缓和金属部用的第2贵重金属电极头叠合于所制造的前述贵重金属电极头的前述底面侧上，并进行接合，形成使两部分的构成金属成分合金化的、厚度为0.5μm以上100μm以下的第1合金层的接合工序。
通过对以Pt为主要成分的贵重金属材料的加工(例如镦锻加工等的塑性加工)，预先制造前端面比底面直径小的接地电极侧点火部用的贵重金属电极头，将该贵重金属电极头与第2贵重金属电极头叠合并进行电阻焊接。即，在电极头制造阶段可以充分确保周围露出区域面，所以在电阻焊接中就不必要使电极头变形。另外，接地电极侧点火部不是由Ir类金属构成，而是由熔点低的Pt类金属构成，所以通过电阻焊接可以容易的得到良好的接合状态。进一步，由于是接合于具有前述接地电极的构成金属和该接地电极侧点火部的构成贵重金属的中间的线膨胀系数的第2贵重金属电极头，所以可更容易的进行接合。
图8是示出图5的第三变形例的平面图及侧视图；图9是示出本发明的效果确认实验的第一结果的曲线图；图10是示出本发明的效果确认实验的第二结果的曲线图；图11是示出本发明的效果确认实验的第三结果的曲线图；图12是示出本发明的效果确认实验的第四结果的曲线图；图13是示出现有的火花塞的问题点的第一视图；图14是示出现有的火花塞的问题点的第二视图；图15是示出现有的火花塞的问题点的第三视图；图16是示出本发明的效果确认实验的第五结果的曲线图；图17是示出本发明的实施形式2的火花塞的主要部分的正面放大图；图18是示出本发明的火花塞的变形例的制造工序的说明图；图19是示出本发明的效果确认实验的第六结果的曲线图。
图1示出成为本发明制造方法的适用对象的火花塞的实施形式1，图2是其主要部分的放大图。火花塞100具有筒状的主体部件1、以前端部21突出的方式嵌入到该主体部件1的内侧的绝缘体2、以前端突出的状态设置在绝缘体2内侧的中心电极3、以及接地电极4，该接地电极4的一端通过焊接等与主体部件1结合，同时另一端向侧方弯曲，其侧面与中心电极3的前端部(在此为前端面)对向而设。通过在接地电极4的侧面4s电阻焊接由Pt类金属构成的贵重金属电极头而设置接地电极侧点火部32。而且，通过在中心电极3的前端激光焊接由Ir类金属构成的贵重金属电极头而设置中心电极侧点火部31。从而在这些接地电极侧点火部32和中心电极侧点火部31之间形成火花放电间隙g。
接地电极侧点火部32也可以使用纯Pt，但为了提高耐火花烧蚀性，可以由Pt合金构成，该Pt合金是以Pt为主要成分(含量最高的成分)，并含有合计占5～50质量％的从作为次要成分的Ir及Ni中选出的1种或2种的成分。另一方面，中心电极侧点火部31由Ir合金构成，该Ir合金是以Ir为主要成分，而且作为用于抑制Ir氧化挥发及改善加工性的次要成分，还含有合计占3～50质量％的从Pt、Rh、Ru及Re中选出的1种或2种以上的成分。
绝缘体2例如由氧化铝或者氮化铝等的陶瓷烧结体构成，在其内部具有沿着自身的轴向嵌入中心电极3用的孔部6。而且，主体部件1由低碳素钢等金属形成为筒状，构成为火花塞100的外壳，同时在其外周面上形成有螺纹部7，用于将火花塞100安装于图中未示的发动机主体上。
至少接地电极4和中心电极3的成为表层部的部分(以下称为电极母材)4m和3m以Ni合金构成。作为具体的材料，可以举例出ィンコネル600(商标名)(Ni76质量％、Cr15.5质量％、Fe8质量％(其余为微量添加元素或者杂质))、ィンコネル 601(商标名)(Ni60.5质量％、Cr23质量％、Fe14质量％(残余部微量添加元素或者杂质))。另外，接地电极4和中心电极3在上述电极母材4m、3m中都埋设有由Cu或者Cu合金构成的热传导促进部4c、3c。
如图2所示，中心电极3的前端部3a直径收缩而成为锥状，在其前端面上叠合贵重金属电极头，进一步沿着该接合面的外缘部通过激光焊接而形成焊接焊缝WB，由此形成中心电极侧点火部31。
另一方面，接地电极侧点火部32，通过将两部分(接地电极侧点火部32和电极母材4m)的构成金属成分合金化的合金层40，而与接地电极4侧的电极母材4m接合。合金层40的厚度B在0.5μm以上100μm以下。该接地电极侧点火部32面临火花放电间隙g的前端面32t比与接地电极4接合的底面32u直径要小，该前端面32t位于从接地电极4的侧面4s更向火花放电间隙g侧突出的位置。而且，如图5所示，从前端面32t侧俯视接地电极侧点火部32时，在该前端面32t的周围，接地电极侧点火部32的表面的一部分作为从接地电极4的侧面4s向中心电极前端面露出的周围露出区域面32p而可被看到。
在实施形式1中，接地电极侧点火部32包括具有底面32u的主体部32b、该主体部32b的顶面32p、从该顶面32p的中央部突出的突出部32a。突出部32a的前端部32t与中心电极侧点火部31的前端面31t对向而形成火花放电间隙g。如图5所示，主体部32b和突出部32a的具有同心配置的圆状平面状态、在顶面32p的外周缘32e和前端面32t的外周缘32k之间可被看到的圆环状的区域成为周围露出区域面。而且，突出部32a及主体部32b的外周面都是圆筒状面。
接着，如图2所示，将中心电极侧点火部31的前端面31t和接地电极侧点火部32的前端面32t之间的沿中心电极3的轴线O方向的最短距离(间隙长)设为G。另外，将中心电极侧点火部31的前端面31t的外周缘32j与周围露出区域面32p的外周缘32e之间的最短距离的连线部分长度设为L。G和L之间成为如下关系1.3G≤L≤3G…①在实施形式1中，中心电极侧点火部31的前端部31t和接地电极侧点火部32的前端部32t，在向与轴线O正交的平面的正投影中，其中心大致一致，并且相互对向而置，相对于与轴线O正交的平面大致平行。距离G作为沿轴线O方向所测定的面31t、32t的任意位置的面间距离而被测定。而且，距离L作为圆锥台体的圆周侧面的母线长度而能够测定，该圆锥台体分别以中心电极侧点火部31的前端面31t和接地电极侧点火部32的主体部32b的顶面32p为两端面。
另外，在向与中心电极3的轴线O正交的平面的正投影(参照图5)中，将周围露出区域面32p的宽度设为A，将接地电极4的宽度设为W，将接地电极侧点火部32a的前端面32t的直径设为d，则A、W、d之间成为如下关系0.15≤A≤{(W-d)/2}-0.4(单位mm)…②另外，在实施形式1中，在将主体部32b的底面32u的直径设为D时，A等于(D-d)/2，另外，接地电极4的宽度W按如下所述定义。即，如图1所示，确定基准方向F，该基准方向F是在从主体部件1的与接地电极4接合的端面隔开1mm的位置上，穿过由与中心电极3的中心轴线O正交的平面截断时的接地电极4的截面的几何重心位置，并与中心轴线O正交；并确定投影面PP，该投影面PP是相关于中心轴线O，在接地电极4的接合基端部所处位置的相反侧，并与该基准方向F正交。如图2所示，在相对于该投影面PP的正投影中，接地电极4的与中心轴线O正交方向的尺寸作为接地电极4的宽度W而被确定。
另外，接地电极侧点火部32的前端面32t的直径d在0.3mm以上0.9mm以下。而且，在中心电极3的轴线O的方向上，将周围露出区域面32p的外周缘32e作为基准位置时，接地电极侧点火部32的前端部32t从基准位置的突出高度t为0.3mm以上1.5mm以下。而且，从接地电极4的侧面4s起的前端面32t的突出高度H为0.5mm以上，而且，t被确定为不超过1.5mm。有关以上各数值范围的极限的意义，在用于解决课题的方法及作用、效果部分中已经详细说明，在本申请中不再重复说明。
另外，接地电极侧点火部32的成为底面32u的基端部被埋设于接地电极4(电极母材4m)中。上述合金层40以包围着该被埋设的基端部周侧面的形式而形成。另外，底面32u和电极母材4m之间也形成有合金层40。在各部分中，合金层40的厚度B都是在0.5μm以上100μm以下。
下面针对实施形式1的火花塞100的制造工序进行说明。图3示出接地电极侧点火部32的形成方法。即，如工序1所示，通过加工以Pt为主要成分的贵重金属材料，例如将贵重金属线材NW截断(或者对板材进行冲裁)而准备用于形成接地电极侧点火部32的圆板状的贵重金属电极头32c。接着，在接合于接地电极4之前，如工序2所示，对上述圆板状的贵重金属电极头32c，实施使用模具P的公知的镦锻加工，而成为接合用的最终贵重金属电极头32′(具有主体部32b和突出部32a)。
如工序3所示，将上述那样得到的贵重金属32′由底面32u侧叠合于接地电极4(电极母材4m)的侧面4s。如工序4所示，在该状态下夹持于电极50、51之间持续加压，并通电加热。由此，在贵重金属电极头32′和电极母材4m之间加热，该贵重金属电极头32′持续侵入电极母材4m，在与电极母材4m之间形成由加热造成的合金层40，而成为接地电极侧点火部32。
在电阻焊接时，对在从前端部32t侧俯视贵重金属电极头32′时成为前端面32t的周围区域的电极头表面(应当成为周围露出区域面的部分)32p，选择性地施加使贵重金属电极头32′和电极母材4m紧密接合的压紧力。在该实施形式中，在按压部件50(兼用于电阻焊接用的电极)中，在贵重金属电极头32′的位置上形成有凹部50a，在贵重金属电极头32′的主体部32b的顶面32p(突出部32a的周围区域)上选择性地施加压紧力。而在接地电极4的相反侧的面上配置有另外的支撑部件(具有电极的功能)51，通过顶面32p，在将接地电极4和贵重金属电极头32′夹压的同时通电，由此可以形成合金层(电阻焊接部)40。另外，确保周围露出区域面32p的宽度A在0.15mm以上，是因为在根据上述方法实施电阻焊接时，从确保采用按压部件50对贵重金属电极头32′的按压的观点出发也是很适当的。
下面，针对本发明的实施形式2参照图17进行说明。该实施形式2的火花塞与上述的实施形式1的火花塞100相比较，主要不同点在于在接地电极侧点火部与接地电极之间设置了缓和金属部。因此以与实施形式1的火花塞100不同的部分为中心进行说明，而针对相同的部分，省略或者简化说明。
图17中，在接地电极侧点火部32与接地电极4之间设置有缓和金属部41。该缓和金属部41具有接地电极4的构成金属和该接地电极侧点火部32的构成贵重金属的中间的线膨胀系数，可以列举出例如Pt-Ni合金(但是，与接地电极侧点火部32相比Pt含有量更低而Ni含有量更高)。
在接地电极侧点火部32和缓和金属部41之间形成两部分构成金属成分合金化的厚度B在0.5μm以上100μm以下的第1合金层42。通过如此将接地电极4介于接地电极侧点火部32和接地电极4之间，更进一步抑制接地电极侧点火部的剥离。
下面针对实施形式2的火花塞的制造方法进行说明。
图4示出接地电极侧点火部32的形成方法。如图4中的工序5所示，将应当成为缓和金属部41的第2贵重金属41′与接地电极4的侧面4s叠合并持续加压，夹持于电极48、49之间并进行通电加热，由此该第2贵重金属电极头41′与电极母材4m接合。在实施形式2中，为了提高接合强度，而使第2贵重金属电极头41′侵入到电极母材4m中而进行接合。接着，如工序6所示，将形成接地电极侧点火部32用的、比第2贵重金属电极头41′直径更小的贵重金属电极头32′叠合于形成缓和金属部41用的第2贵重金属电极头41′上，持续加压并通电加热，由此将贵重金属电极头32′接合于第2贵重金属电极头41′。在此也是使贵重金属电极头32′侵入到第2贵重金属电极头41′内而进行接合的。通过这些工序后，如工序7所示，第2贵重金属电极头41′和贵重金属电极头32′分别成为缓和金属部41和接地电极侧点火部32。
下面针对本发明的火花塞的变形例进行说明。
首先，接地电极侧点火部32的形状并不限定于图2或者图5所示的形式，相邻火花放电间隙g的前端面32t只要是直径小于与接地电极4接合的底面32u的形状即可，可以采用其他各种形状。例如，图6是成为周围露出区域面的主体部32b的顶面32p形成为锥状面的例子。另外，图7及图8是不特别区别主体部32b和突出部32a的形状的例子，图7是全体构成为圆锥台体状、图8是同样构成为棱锥台体状的例子。都是在锥体的圆周侧面形成周围露出区域面32p。另外，如图8所示，针对外形线不一定是圆形的一般形状的周围露出领域32p的宽度A，在俯视接地电极侧点火部32时的投影图形中，按如下所述定义。即将具有与前端面32t的外周缘32k相同周长的第一圆的半径设为r1，将与该第一圆同心的第二圆设定为，与前述第一圆之间的环状区域的面积和周围露出区域面32p的投影面积相同。将该第二圆的半径设为r2时，使用前述第一圆的半径r1，将周围露出区域面32p的宽度A按如下定义A≡r2-r1 …③进一步，实施形式2是将第2贵重金属电极头41′电阻焊接于接地电极4的电极母材4m，之后将贵重金属电极头32′与接合在接地电极4上的第2贵重金属电极头41′接合的制造方法，但并不仅限于此，也可以是如图18那样的制造方法。在图18中，通过工序8，由电阻焊接等接合方法将第2贵重金属电极头41′接合于贵重金属电极头32′，通过工序9，将接合了贵重金属电极头32′的第2贵重金属电极头41′叠合于接地电极4的电极母线4m并通过电阻焊接等进行焊接。如工序10那样，第2贵重金属电极头41′成为缓和金属层41，而贵重金属电极头32′成为接地电极侧点火部32。由此，贵重金属电极头32′不会从第2贵重金属电极头41′偏离而可以可靠地接合在一起。
使用上述火花塞的试样，进行下面的试验。(着火性试验)将火花塞试样安装于6气缸、总排气量2000cc的汽油发动机的一个气缸中。使燃料混合比逐渐变得稀薄(lean)的同时，以空转700rpm的条件进行运转，同时，将HC峰值(spike)每3分钟发生10次时的A/F值判断为着火极限。(耐火花烧蚀性试验)将火花塞试样安装于6气缸、总排气量2000cc的汽油发动机中，在节流阀(throttle)全开的状态下，以发动机转速5000rpm连续运转100小时，测定试验后的火花放电间隙的间隙增加量。(接地电极火花飞溅率)将火花塞安装于试验用燃烧室内，在燃烧室内使空气以10m/s的流速进行流通的同时，使火花塞以放电电压20KV火花放电200次，同时用摄像机对火花飞溅的状态进行高速摄影，求出火花从接地电极侧点火部32的周围露出区域面32p偏离而火花飞溅的比率(接地电极火花飞溅率)。
图12示出在改变各种L/G时，接地电极火花飞溅率是如何变化的曲线图。另外，前端面32t的直径d设定为0.6mm，周围露出区域面的宽度A设定为0.2mm。由此得知，L/G为1.3以上时，从周围露出区域面32p偏离而飞溅的比率非常低，在防止接地电极的偏烧蚀方面是非常适当的。
进一步，图19示出在改变周围露出区域面32p的宽度A的各种尺寸时，接地电极火花飞溅率是如何变化的曲线图。前端面32t的直径d设定为0.6mm，L设定为1.9G。由此，在周围露出区域面32p的宽度为0.15mm以上时，从周围露出区域面32p偏离而飞溅的概率非常低，在防止接地电极的偏烧蚀方面是非常适当的。
图9示出着火极限空燃比是如何随着接地电极侧点火部32的前端面32t的直径d变化的曲线图。将周围露出区域面的宽度A设定为0.2mm，将前端面32t的突出高度设定为0.8mm，并设定L≥1.3G。由此得知，前端面32t的直径d超过1.9mm时，极限空燃比变大，着火性能低下。而且，图10示出着火极限空燃比是如何随着前端部32t的突出高度t变化的曲线图。将前端面32t的直径d设定为0.6mm，将周围露出区域面的宽度A设为0.2mm，并设定L≥1.3G。由此得知，在前端面32t的突出高度t超过1.5mm时，间隙增加量急剧的变大，无法充分确保耐火花烧蚀性。更进一步，图11示出间隙增加量是如何随着突出高度t变化的曲线图。将前端面32t的直径d设为0.6mm，将周围露出区域面的宽度A设为0.2mm，并设定L≥1.3G。由此得知，在突出高度t不到0.3mm时，极限空燃比变大，着火性能低下。
进一步，图16示出在耐火花烧蚀性试验中，间隙增加量是如何随着接地电极侧点火部32的前端面32t的直径d变化的曲线图。将周围露出区域面的宽度A设为0.2mm，将前端面32t的突出高度设为0.8mm，并设定L≤.3G。由此得知，在前端面32t的直径不到0.3mm时，间隙增加量急剧增加，不能充分确保耐火花烧蚀性。
权利要求
1.一种火花塞，其特征在于，使固定在接地电极的侧面的接地电极侧点火部与固定在中心电极的前端的贵重金属制的中心电极侧点火部对向而设，从而在该中心电极侧点火部和接地电极侧点火部之间形成火花放电间隙，前述接地电极侧点火部由以Pt为主要成分的贵重金属构成，通过厚度在0.5μm以上100μm以下的合金层而接合于前述接地电极，该合金层是将构成两部分的金属成分合金化而成，而且，前述接地电极侧点火部面临前述火花放电间隙的前端面比固定于前述接地电极的底面的直径小，并且前述前端面从前述接地电极的前述侧面起更向中心电极前端侧突出，当从前述前端面侧俯视前述接地电极侧点火部时，以包围住该前端面的周围的形式，前述接地电极侧点火部的表面的一部分作为露出前述接地电极的侧面的周围露出区域面而被看到。
2.一种火花塞，其特征在于，使通过缓和金属部固定在接地电极的侧面的接地电极侧点火部与固定在中心电极的前端的贵重金属制的中心电极侧点火部对向而设，从而在该中心电极侧点火部和接地电极侧点火部之间形成火花放电间隙，前述接地电极侧点火部由以Pt为主要成分的贵重金属构成，并且，前述缓和金属部由线膨胀系数在构成前述接地电极的金属和构成该接地电极侧点火部的贵重金属之间的金属构成，在前述接地电极侧点火部和前述缓和金属部之间，形成有将构成两部分的金属成分合金化的、厚度在0.5μm以上100μm以下的第1合金层，而且，前述接地电极侧点火部面临前述火花放电间隙的前端面比固定于前述缓和金属部的底面的直径小，并且前述前端面从前述接地电极的前述侧面起更向中心电极前端侧突出，当从前述前端面侧俯视前述接地电极侧点火部时，以包围住该前端面的周围的形式，前述接地电极侧点火部的表面的一部分作为露出前述接地电极的侧面的周围露出区域面而被看到。
3.如权利要求1或2所述的火花塞，其特征在于，将前述中心电极侧点火部的前端面和前述接地电极侧点火部的前端面之间的、沿前述中心电极的轴线方向的最短距离设为G，另一方面，将前述中心电极侧点火部的前述前端面的外周缘和前述周围露出区域面的外周缘之间的最短距离连接线的长度设为L时，则满足1.3G≤L≤3G，并且，在向与前述中心电极的轴线正交的平面的正投影中，将前述周围露出区域面的宽度设为A，将前述接地电极的宽度设为W，将前述接地电极侧点火部的前端面的直径设为d，则满足0.15≤A≤{(W-d)/2}-0.4(单位mm)。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的火花塞，其特征在于，前述接地电极侧点火部的前述前端面的直径d为0.3mm以上0.9mm以下。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的火花塞，其特征在于，在前述中心电极的轴线方向上，在以前述周围露出区域面的外周缘为基准位置时，前述接地电极侧点火部的前述前端面从前述基准位置向中心电极前端面侧的突出高度为0.3mm以上1.5mm以下。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的火花塞，其特征在于，整个前述周围露出区域面，与前述接地电极的侧面相比，位于前述中心电极侧。
7.一种火花塞的制造方法，该火花塞使固定在接地电极的侧面的贵重金属制的接地电极侧点火部与固定在中心电极的前端的贵重金属制的中心电极侧点火部对向而设，从而在该中心电极侧点火部和接地电极侧点火部之间形成火花放电间隙，并且前述接地电极侧点火部面临前述火花放电间隙侧的前端面比接合于前述接地电极的底面的直径小，并且前述前端面从前述接地电极的前述侧面向中心电极前端侧突出，当从前述前端面侧俯视前述接地电极侧点火部时，以包围住该前端面的周围的形式，前述接地电极侧点火部的表面的一部分作为露出前述接地电极的侧面的周围露出区域面而被看到，其特征在于，该制造方法包括在与前述接地电极接合之前，通过加工以Pt为主要成分的贵重金属材料，制造出前端面比底面的直径小的接地电极侧点火部用的贵重金属电极头的电极头制造工序；以及将所制造的前述贵重金属电极头在底面侧与接地电极叠合，在从前述前端面侧俯视前述贵重金属电极头时成为前述前端面的周围区域的电极头表面上，选择性地施加使前述贵重金属电极头和前述接地电极紧密接合的压紧力，在该状态下，通过电阻焊接将该贵重金属电极头和接地电极接合的电阻焊接工序。
8.一种火花塞的制造方法，该火花塞使通过缓和金属部固定在接地电极的侧面的贵重金属制的接地电极侧点火部与固定在中心电极的前端的贵重金属制的中心电极侧点火部对向而设，从而在该中心电极侧点火部和接地电极侧点火部之间形成火花放电间隙，并且前述接地电极侧点火部面临前述火花放电间隙的前端面比接合于前述缓和金属部的底面的直径小，并且前述前端面从前述接地电极的前述侧面向中心电极前端侧突出，当从前述前端面侧俯视前述接地电极侧点火部时，以包围住该前端面的周围的形式，前述接地电极侧点火部的表面的一部分作为露出前述接地电极的侧面的周围露出区域面而被看到，其特征在于，该制造方法包括在与前述接地电极接合之前，通过加工以Pt为主要成分的贵重金属材料，制造出前端面比底面的直径小的接地电极侧点火部用的贵重金属电极头的电极头制造工序；以及将线膨胀系数在前述接地电极的构成金属和该接地电极侧点火部的构成金属之间的的缓和金属部用的第2贵重金属电极头叠合于所制造的前述贵重金属电极头的前述底面侧上，并进行接合，形成使两部分的构成金属成分合金化的、厚度为0.5μm以上100μm以下的第1合金层的接合工序。
9.如权利要求8所述的火花塞的制造方法，其特征在于，该方法包括电阻焊接工序，第2贵重金属电极头在与前述贵重金属电极头接合工序之前，与前述接地电极叠合，并选择性地施加使前述第2贵重金属电极头和前述接地电极紧密接合的压紧力，在该状态下，通过电阻焊接使该贵重金属电极头和接地电极接合。
全文摘要
本发明提供一种火花塞，具有这样的构造，即在接地电极侧突出形成有贵重金属点火部，并且即使在因为气流而使火花容易流动的使用环境下，在接地电极也难以产生偏烧蚀。接地电极侧点火部32是由以Pt为主要成分的金属构成，通过厚度在0.5μm以上100μm以下的合金层而接合于接地电极4，该合金层是将两部分的构成金属成分合金化而成。而且，接地电极侧点火部32面临前述火花放电间隙g的前端面32t的直径比接合于接地电极4的底面32u小，并且，前端面32t从接地电极4的侧面4s突出。进一步，当从前端面32t侧俯视接地电极侧点火部32时，在该前端面32t的周围，接地电极侧点火部32的表面的一部分从接地电极4的侧面4s露出而作为周围露出区域面32p被识别。
文档编号H01T21/02GK1472854SQ0314901
公开日2004年2月4日 申请日期2003年6月20日 优先权日2002年6月21日
发明者寺村英已, 加藤友聪, 岛居计良, 聪, 良 申请人:日本特殊陶业株式会社