内燃机用火花塞及其制造方法

专利名称：内燃机用火花塞及其制造方法
技术领域：
本发明涉及到在内燃机中使用的火花塞及其制造方法。
背景技术：
一般地，在汽车发动机等的内燃机中使用的火花塞构成为通过在中心电极与接地 电极之间的火花放电间隙中产生火花，从而点燃供给到内燃机的燃烧室的混合气。近些年，从限制气体排放和提高燃料消耗率的观点出发，正在积极地进行稀混合 气发动机(Lean Burn Engine)、直喷发动机、以及低排放发动机等内燃机的开发。在这样的 内燃机中，要求点火性能比以往更优秀的火花塞。因此，已知如下技术为了防止耐损耗性的降低，同时实现点火性能的提高，在中 心电极的前端部焊接由铱合金或白金合金等耐损耗性优秀的贵金属合金构成的圆柱状的 贵金属电极头。然而，贵金属电极头向中心电极的前端部的焊接一般通过如下方式进行。即，将贵 金属电极头的一端面载置于中心电极的前端面，然后利用预定的按压销按压贵金属电极头 的另一端面以保持贵金属电极头。接着，使中心电极等以轴线为旋转轴旋转，同时从中心电 极等的侧面方向对中心电极与贵金属电极头的接触面外缘附近照射激光束或电子束。由 此，在中心电极和贵金属电极头之间形成由构成两者的金属材料熔融而成的熔融部，其结 果是，将贵金属电极头焊接于中心电极的前端部。然而，在采用这样的方法的情况下，在使中心电极等旋转时，有可能会发生贵金属 电极头的中心轴相对于中心电极的中心轴偏移(所谓偏心)的情况。在贵金属电极头相对 于中心电极偏心的状态下进行激光焊接等的话，从激光照射口到照射对象(所述接触面外 缘)的距离发生偏差。其结果是，熔融部的大小(熔融量)会发生偏差，以至于有可能发生 焊接强度降低的情况。因此，为了防止贵金属电极头在焊接时的偏心，提出有下述方案在中心电极的前 端面设置凹状的孔部，并且在贵金属电极头的基端面设置突起状的脚部，在所述脚部与所 述孔部嵌合的状态下，将贵金属电极头焊接于中心电极(例如，参照专利文献1等)。专利文献1 日本特开平10-112374号公报然而，在上述技术中，为了高效地从贵金属电极头向中心电极散热，所述孔部的底 面与所述脚部的端面处于接触状态。而且，在贵金属电极头的基端面与中心电极的前端面 之间的外周部分形成熔融部，另一方面，在所述脚部的端面与所述孔部的底面之间未形成 熔融部，两者通过电阻焊接而焊接在一起。由此，在未形成熔融部的所述脚部的端面与中心 电极的孔部的底面的接触面处，有可能因构成贵金属电极头的贵金属合金与构成中心电极 的金属材料之间的热膨胀系数的差而产生应力。其结果是，有可能在两者的接合部分产生 裂纹，以至于贵金属电极头从中心电极剥离。对此，考虑如下方案在中心电极与贵金属电极头的接触部分的整个区域中，设置 具有处于中心电极和贵金属电极头之间的热膨胀系数的所述熔融部，从而缓和所述应力，防止贵金属电极头的剥离。然而，为了在中心电极与贵金属电极头的接触部分的整个区域形成熔融部，需要 增加激光束等的熔融能量。在此，熔融能量增加的话，有可能使熔融部变得过大，或者从熔 融部分飞溅出金属粒子(所谓溅射)并在贵金属电极头的前端面附着熔融金属。如果熔融 金属附着于贵金属电极头的前端面，则不能够准确地调整火花放电间隙的大小，因此有可 能使火花放电所需要的放电电压变高，在最糟糕的情况下可能发生不发火。此外，熔融部过 大的话，有可能导致耐损耗性的降低。

发明内容
本发明正是鉴于上述情况而作出的，其目的在于提供一种内燃机用火花塞及其制 造方法，能够提高贵金属电极头相对于中心电极的焊接强度，并且不会导致耐损耗性或点 火性能的降低，能够更为可靠地提高贵金属电极头的耐剥离性。本发明提供一种内燃机用火花塞，其特征在于，具有中心电极，沿轴线延伸，并具有前端部和外周面；筒状的绝缘体，该绝缘体设于所述中心电极的外周面周围，并且具有外周面；筒状的金属壳，该金属壳设于所述绝缘体的外周面周围，并且具有前端部；贵金属电极头，设于所述中心电极的前端部，所述贵金属电极头包括前端部和基 端部；接地电极，所述接地电极的一端固定于所述金属壳的前端部，所述接地电极的另 一端与所述贵金属电极头的前端部之间形成有间隙；限制部，设于所述中心电极和所述贵金属电极头中的至少一方，所述限制部限制 所述贵金属电极头相对于所述中心电极的移动；熔融部，焊接所述中心电极以及所述贵金属电极头的基端部的至少一部分；以及封闭空间，形成在所述贵金属电极头的基端部的中央部分与所述中心电极之间。另外，本发明提供一种火花塞的制造方法，所述火花塞具有中心电极，沿轴线延伸，并具有前端部和外周面；筒状的绝缘体，该绝缘体设于所述中心电极的外周面周围，并且具有外周面；筒状的金属壳，该金属壳设于所述绝缘体的外周面周围，并且具有前端部；贵金属电极头，设于所述中心电极的前端部，所述贵金属电极头包括前端部和基 端部；熔融部，通过焊接所述中心电极以及所述贵金属电极头而形成；限制部，设于所述中心电极和所述贵金属电极头中的至少一方；以及接地电极，所述接地电极的一端固定于所述金属壳的前端部，所述接地电极的另 一端与所述贵金属电极头的前端部之间形成有间隙，该火花塞的制造方法的特征在于，包括在所述中心电极与所述贵金属电极头的基端部的中央部分之间形成封闭空间；在所述限制部限制所述贵金属电极头相对于所述中心电极移动时，在所述中心电 极的前端部载置所述贵金属电极头；通过在所述中心电极和所述贵金属电极头之间的边界的外表面使所述中心电极和所述贵金属电极头熔融，在所述中心电极的前端部的表面和所述贵金属电极头的基端部 的表面接触的部分形成所述熔融部；通过所述熔融部的形成，将所述中心电极和所述贵金属电极头焊接。以下，对用于达成上述目的的各结构分开说明。另外，根据需要记述对应的结构特 有的作用效果。结构1.本结构中的内燃机用火花塞具有沿轴线方向延伸的中心电极；设于所述中心电极的外周的筒状的绝缘体；设于所述绝缘体的外周的筒状的主体零件(金属壳)；由贵金属合金构成，并且设于所述中心电极的前端部的贵金属电极头；由所述中心电极以及所述贵金属电极头相互熔融形成的熔融部；以及一端接合于所述主体零件的前端部，另一端与所述贵金属电极头的前端部之间形 成有间隙的接地电极，其特征在于，通过设于所述中心电极和所述贵金属电极头中的至少一方的限制部，限制所述贵 金属电极头相对于所述中心电极在径向上的相对移动，然后，通过照射激光束或者电子束 形成有所述熔融部，所述贵金属电极头的基端部的至少一部分经由所述熔融部与所述中心电极接合， 并且，在所述贵金属电极头的基端部中央部分与所述中心电极之间形成封闭空间。另外，所谓“限制部”只要是限制贵金属电极头相对于中心电极在径向上的相对移 动的部件即可，例如可以由设于贵金属电极头的基端的孔部、以及设于中心电极的前端并 可与所述孔部嵌合的突出部构成限制部。此外，也可以由设于中心电极的前端部并且可供 圆柱状的贵金属电极头嵌入的孔部构成限制部。根据上述结构1，在焊接贵金属电极头时，通过限制部限制贵金属电极头相对于中 心电极在径向上的相对移动。由此，在焊接时，能够更为可靠地防止因贵金属电极头的偏心 而使熔融部的大小产生偏差，能够实现焊接强度的提高。此外，在本结构1的火花塞中，在贵金属电极头的基端部中央部分与中心电极之 间形成有封闭空间。即，在焊接贵金属电极头的时候，在中心电极与贵金属电极头之间形成 有空间的状态下形成熔融部。因而，与使中心电极的前端面整个区域与贵金属电极头的基 端面整个区域接触的状态相比，减少了中心电极与贵金属电极头的接触部分，不会使熔融 能量增加，能够在中心电极与贵金属电极头的接触部分的整个区域形成熔融部。其结果是， 能够防止作为耐磨损性和点火性能降低的原因的、熔融金属在贵金属电极头的前端面的附 着(焊接不良)，同时能够缓和中心电极与贵金属电极头之间产生的应力，能够提高贵金属 电极头的耐剥离性。即，根据本结构1，能够一举抑制焊接不良和氧化皮双方，所述双方处于 抑制了其中一方则另一方会明显化的关系。结构2.在上述结构1的基础上，本结构的内燃机用火花塞的特征在于，在包含所 述轴线的剖面中，设所述贵金属电极头的宽度为C。，设所述封闭空间的宽度为&，设所述封 闭空间的高度为SH时，满足下述的算式(1)和算式(2)，Sx ≤C0/2 ... (1)
SH ^ Sj ... (2)另外，所谓贵金属电极头的宽度指的是沿着与轴线正交的方向的贵金属电极头的 长度，所谓封闭空间的宽度指的是沿着与轴线正交的方向的封闭空间的长度。此外，在贵 金属电极头沿轴线的宽度有多种的情况下，所谓贵金属电极头的宽度意味着贵金属电极头 的基端部的宽度。另外，所谓封闭空间的高度指的是封闭空间沿轴线在所述剖面中的长度。 此外，在封闭空间的宽度沿轴线不同的情况下，封闭空间的宽度指的是宽度的最大值，在 封闭空间的高度沿与轴正交的方向不同的情况下，封闭空间的高度SH指的是高度的最大值 (以下相同)。如上所述地，根据本发明，在贵金属电极头与中心电极之间形成封闭空间。其中， 如果考虑从贵金属电极头向中心电极侧的降温的话，贵金属电极头的热量经由位于所述封 闭空间的外周的环状部分传导到中心电极侧。因此，所述环状部分的剖面面积过小，或者环 状部分的长度极长的话，有可能使从贵金属电极头向中心电极侧的降温恶化，会损害贵金 属电极头的耐损耗性。对此，根据上述结构2，由于&彡C。/2、且SH彡S”因此能够使作为热传导路径的 所述环状部分具有足够的剖面面积，并且能够形成得比较短。因此，能够充分确保贵金属电 极头的降温性能，能够实现耐损耗性的提高。结构3.在上述结构1或2的基础上，本结构的内燃机用火花塞的特征在于，在包 含所述轴线的剖面中，设所述贵金属电极头的宽度为C。，设所述封闭空间的宽度为&，设所 述熔融部中隔着所述轴线位于一方侧的熔融部的熔融深度为LA，设所述熔融部中隔着所述 轴线位于另一方侧的熔融部的熔融深度为LB时，满足下述的算式(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，所谓“熔融部的熔融深度”指的是熔融部中位于最靠轴线方向前端侧的位置 的部位与熔融部中位于最靠内侧的位置的部位之间的、沿与轴线正交的方向的长度。根据上述结构3，熔融部的熔融深度LA、LB形成为贵金属电极头与中心电极的接触 区域的长度的一半[(QrS^/2]的0.7倍以上的足够的深度。即，通过足够深的熔融部，能 够更为可靠地吸收中心电极与贵金属电极头之间产生的应力差。其结果是，能够尽量防止 中心电极与贵金属电极头之间氧化皮(裂纹)的发展，能够进一步提高贵金属电极头的耐 剥离性。结构4.在上述结构1至3中任意一项的基础上，本结构的火花塞的特征在于，所 述熔融部不露出到所述封闭空间。根据上述结构4，熔融部形成为不会露出到封闭空间。即，在形成熔融部的时候，能 够可靠地防止存在于封闭空间中的气体混入到熔融池中并在熔融部的表面形成气泡而残 留(所谓产生气孔(blow hole))。因此，能够有效地防止熔融部的强度降低。结构5.在本结构的火花塞的制造方法中，所述火花塞具有沿轴线方向延伸的中心电极；设于所述中心电极的外周的筒状的绝缘体；设于所述绝缘体的外周的筒状的主体零件；
由贵金属合金构成，并且设于所述中心电极的前端部的贵金属电极头；由所述中心电极以及所述贵金属电极头相互熔融形成的熔融部；以及一端接合于所述主体零件的前端部，另一端与所述贵金属电极头的前端部之间形 成有间隙的接地电极，该火花塞的制造方法的特征在于，在所述贵金属电极头的基端部中央部分和所述中心电极之间形成封闭空间，同时 在利用设于所述中心电极和所述贵金属电极头中的至少一方的限制部限制所述贵金属电 极头相对于所述中心电极在径向上的相对移动的状态下，在所述中心电极的前端面载置所 述贵金属电极头，通过在所述中心电极与所述贵金属电极头的边界部分外缘照射激光束或者电子 束，在所述中心电极的前端面与所述贵金属电极头的基端面的接触部分，形成由所述中心 电极和所述贵金属电极头相互熔融而成的熔融部，由此将所述中心电极与所述贵金属电极 头接合。根据上述结构5，基本起到了与上述结构1相同的作用效果。结构6.在上述5的基础上，本结构的火花塞的制造方法的特征在于，设在包含所 述轴线的剖面中所述贵金属电极头的宽度为C。，设所述封闭空间的宽度为&，设所述封闭 空间的高度为SH时，满足下述的算式(5)和算式(6)，Sx ( C0/2 ... (5)SH ^ Sj ... (6)根据上述结构6，基本起到了与上述结构2相同的作用效果。结构7.在上述结构5或6的基础上，本结构的火花塞的制造方法的特征在于，设 在包含所述轴线的剖面中所述贵金属电极头的宽度为C。，设所述封闭空间的宽度为&，设 所述熔融部中隔着所述轴线位于一方侧的熔融部的熔融深度为LA，设所述熔融部中隔着所 述轴线位于另一方侧的熔融部的熔融深度为！^时，满足下述的算式(7)和算式(8)，La 彡[(Cq-Sj) /2] X 0. 7 ... (7)Lb 彡[(Cq-Sj) /2] X 0. 7 ... (8)根据上述结构7，基本上起到了与上述结构3相同的作用效果。结构8.在上述5至7中任意一项的基础上，本结构的火花塞的制造方法的特征在 于，以使所述熔融部不露出到所述封闭空间的方式照射所述激光束或者电子束。根据上述结构8，起到了与上述结构4相同的作用效果。结构9.在上述结构5至8中的任意一项的基础上，本结构的火花塞的制造方法的 特征在于，所述限制部由设于所述中心电极的前端部的中心的凹部构成，通过将所述贵金属 电极头嵌合于所述凹部，限制所述贵金属电极头相对于所述中心电极在径向上的相对移动。根据上述结构9，无需对贵金属电极头实施特殊的加工，仅通过对中心电极实施加 工，就能够限制贵金属电极头相对于中心电极的相对移动。因此，能够一并防止因加工贵金 属电极头造成的制造成本的增加、以及对中心电极和贵金属电极头双方进行加工而产生的 生产效率的降低。


图1是示出本实施方式的火花塞的结构的局部剖开主视图。
图2是示出火花塞前端部的结构的局部剖开放大主视图。图3是示出贵金属电极头相对于中心电极的接合状态的局部放大剖视图。图4是示出在贵金属电极头接合前的、中心电极和贵金属电极头的局部放大剖视 图。图5(a)是用于说明实施例所述的样本中氧化皮的大小的放大剖面示意图，图 5(b)是用于说明比较例所述的样本中氧化皮的大小的放大剖面示意图。图6是示出直径对电极头比和间隙增加量的关系的图表。
图7是示出对内径比和间隙增加量的关系的图表。
图8是示出其他实施方式中中心电极等的结构的局部放大剖视图。
图9是示出其他实施方式中中心电极等的结构的局部放大剖视图。
图10是示出其他实施方式中中心电极等的结构的局部放大剖视图。
标记说明
1:火花塞(内燃机用火花塞)
2:绝缘子(绝缘体)
3 主体零件
4 轴孔
5 中心电极
5H 孔部(限制部)
5P:突出部(限制部)
26 主体零件的前端部
27 接地电极
31 贵金属电极头
31H:孔部(限制部)
31P:突出部(限制部)
33 火花放电间隙(间隙)
41 熔融部
42 封闭空间
CL1 轴线
具体实施例方式以下，参照附图对一个实施方式进行说明。图1是示出内燃机用火花塞(以下称 作“火花塞”)1的局部剖开主视图。另外，在图1中，以火花塞1的轴线CL 1方向作为图中 的上下方向，并以下侧作为火花塞1的前端侧，以上侧作为后端侧进行说明。火花塞1由形成为筒状并作为绝缘体的绝缘子2、以及保持该绝缘子2的筒状的主 体零件3等构成。绝缘子2公知由氧化铝等烧结形成，其外形部具备形成于后端侧的后端侧胴部 10、在比该后端侧胴部10靠前端侧并向径向外侧突出形成的大直径部11、以及在比该大直 径部11靠前端侧并且直径形成得比该大直径部11细的中胴部12。此外，绝缘子2在比所 述中胴部12靠前端侧具备直径形成得比该中胴部12细的长脚部13。而且，在绝缘子2中，大直径部11、中胴部12以及大部分的长脚部13被收纳于主体零件3的内部。并且，在长脚 部13与中胴部12的连接部形成锥状的台阶部14，绝缘子2通过该台阶部14与主体零件3卡定。进而，在绝缘子2上沿轴线CL1贯穿形成有轴孔4，中心电极5从该轴孔4的前端 侧插入并固定。该中心电极5整体呈杆状(圆柱状)，并从绝缘子2的前端突出。此外，中 心电极5具备由铜或铜合金构成的内层5A、以及由以镍(Ni)为主要成分的镍合金构成的外 层5B。进而，在所述中心电极5的前端部接合有由贵金属合金(例如铱合金)形成的圆柱 状的贵金属电极头31。此外，端子电极6在从绝缘子2的后端突出的状态下插入并固定于轴孔4的后端 侧。进而，在轴孔4的中心电极5与端子电极6之间，配设有圆柱状的电阻体7。该电 阻体7的两端部经由导电性的玻璃密封层8、9分别与中心电极5和端子电极6电连接。而且，所述主体零件3由低碳钢等金属形成为筒状，在其外周面形成有用于将火 花塞1安装于发动机盖的螺纹部(阳螺纹部)15。此外，在螺纹部15的后端侧的外周面形 成有座部16，环状的密封垫片18嵌入于螺纹部15后端的螺纹顶17。进而，在主体零件3 的后端侧设有在将火花塞1安装到发动机盖时用于与扳手等工具卡合的剖面为六边形的 工具卡合部19，并且在后端部设有用于保持绝缘子2的铆接部20。此外，在主体零件3的内周面设有用于卡定绝缘子2的锥状的台阶部21。并且， 绝缘子2被从主体零件3的后端侧朝向前端侧插入，并且在自身的台阶部14卡合于主体零 件3的台阶部21的状态下，从径向内侧铆接主体零件3后端侧的开口部，即通过形成上述 铆接部20以进行固定。另外，在绝缘子2以及主体零件3双方的台阶部14、21之间介有圆 环状的衬垫板22。由此，保持了燃烧室内的气密性，进入到曝于燃烧室内的绝缘子2的长脚 部13与主体零件3的内周面之间的空间的燃料空气不会泄漏到外部。进而，通过铆接使封闭更为周密，因此在主体零件3的后端侧，在主体零件3与绝 缘子2之间介有环状的圆环部件23、24，并在圆环部件23、24之间填充滑石(夕 > 々)25的 粉末。即，主体零件3通过衬垫板22、圆环部件23、24以及滑石25保持绝缘子2。此外，在主体零件3的前端部26设有一端与主体零件3的前端部26接合的杆状 的接地电极27。接地电极27的大致中间部分弯折回，其另一端侧侧面与中心电极5的前端 部相对。该接地电极27为由外层27A和内层27B构成的两层结构。在本实施方式中，所述 外层27A由镍合金(例如、本> 600或4 > 二木凡601 (均为注册商标))构成。另一 方面，所述内层27B由比所述镍合金的导热性优良的铜合金或者纯铜构成。而且，在所述接地电极27的与所述贵金属电极头31的前端面相对的部位，接合有 由贵金属合金(例如钼合金等)形成的圆柱状的贵金属电极头32。并且，在所述贵金属电 极头31、32之间形成作为间隙的火花放电间隙33。进而，在本实施方式中，如图2所示，所述贵金属电极头31经由熔融部41与中心 电极5接合，所述熔融部41通过构成该贵金属电极头31的贵金属合金与构成中心电极 5(的外层5B)的镍合金相互熔融后固化而形成。此外，在中心电极5与贵金属电极头31的 基端部中央部分之间形成有圆柱状的封闭空间42。并且，如图3所示，在包含轴线CL1的剖面中，设贵金属电极头31的宽度(外径)为C。(mm)，设封闭空间42的宽度为& (mm)时，构成为满足& < C。/2。此外，在设封闭空间 42沿着轴线CL1的长度(高度)为SH(mm)时，构成为满足SH ( &。进而，在设熔融部41中隔着轴线CL1位于一方侧的熔融部41A的熔融深度为 LA(MM)，设熔融部41中隔着轴线CL1位于另一方侧的熔融部41B的熔融深度为Lb (mm)时， 以满足[(Qt^/^XO. *!^》[(QrSD/^XO. 的方式设定熔融部41的熔融深 度。另外，所谓“熔融深度”指的是熔融部41A(41B)中位于最靠轴线CL1方向前端侧 的位置的部位与熔融部41A(41B)中位于最靠内侧的位置的部位之间的、沿与轴线CL1正交 的方向的长度。而且，所述熔融部41形成为不露出到所述封闭空间42。接着，对如上所述地构成的火花塞1的制造方法进行说明。首先，对主体零件3进 行预加工。即，通过对圆柱状的金属材料(例如S17C或S25C之类的铁类材料或不锈钢材 料)进行冷轧锻造加工形成贯通孔，制造出大概形状。然后，通过实施切削加工对外形进行 调整，得到主体零件中间体。接着，将由镍合金等构成的直杆状的接地电极27通过电阻焊接焊接于主体零件 中间体的前端面。由于在该焊接过程中会产生所谓“塌边”，因此在除去该“塌边”后，在主 体零件中间体的预定部位通过滚压成形形成螺纹部15。由此，得到焊接有接地电极27的主 体零件3。并且，对焊接有接地电极27的主体零件3实施镀锌或者镀镍处理。另外，为了提 高耐腐蚀性，也可以在其表面实施铬酸盐光泽处理。进而，在接地电极27的前端部，通过电阻焊接或者激光焊接等接合所述贵金属电 极头32。另外，为了使焊接更为可靠，在该焊接前除去焊接部位的镀层，或者在镀膜工序中 对预定焊接部位进行遮蔽。此外，也可以在后述的组装之后进行该贵金属电极头32的焊 接。另一方面，在形成所述主体零件3之外，对绝缘子2进行成形加工。例如，采用以 氧化铝为主体并含有粘合剂的原料粉末调制成形用素材造粒物，并利用该成形用素材造粒 物进行橡胶压制成形，从而得到筒状的成形体。并且，对得到的成形体实施磨削加工进行整 形，并且将整形得到的成形体放入烧结炉进行烧结，从而得到绝缘子2。此外，在形成所述主体零件3和绝缘子2之外，制造中心电极5。S卩，对在中央部 配置有用于提高散热性的铜合金的镍合金实施锻造加工，得到圆柱状的杆状部件。并且，如 图4所示，通过对所述杆状部件的前端部实施切削加工等，制造具有从前端面突出的突出 部5P的中心电极5。另一方面，制造贵金属电极头31。S卩，准备主成分为铱的坯料，对该坯料实施热轧 锻造和热压压延(槽辊压延)。然后，通过实施拉丝加工得到杆状材料，然后将其切断成预 定长度。接着，在得到的圆柱状的电极头部件的端面形成可与所述中心电极5的突出部5A 嵌合的孔部31H。由此，得到贵金属电极头31。另外，所述孔部31H的深度形成为比所述突 出部5P的高度大。接下来，将贵金属电极头31相对于中心电极5接合。更为详细地来说，将所述中 心电极5的突出部5P嵌合于贵金属电极头31的孔部31H，使中心电极5的前端面5F与 贵金属电极头31的基端面31F接触。此时，如上所述地，所述孔部31H的深度大于所述突出部5P的高度，因此在孔部31H的底面与突出部5P的前端面之间形成封闭空间42。接 着，以轴线CL 1为中心轴使中心电极5等旋转，同时间歇性地对中心电极5和贵金属电极 头31的边界部分外缘照射激光束。由此，在与轴线CL1正交的剖面中形成环状的熔融部 41，将贵金属电极头31相对于中心电极5接合。另外，调节激光焊接的输出等，使得熔融 部41不会露出到封闭空间42，同时使所述熔融深度La、Lb满足La彡[(Co-S^/2] X0. 7和 [(QtSJ/^IXO. 。此外，以至少中心电极5的前端面5F与贵金属电极头31的基端 面31F的接触部分(图4中以粗线示出的部位)形成熔融部41的方式进行。另外，所述突 出部5P和孔部31H相当于本发明的限制部。接着，将如上所述地得到的绝缘子2、中心电极5、电阻体7以及端子电极6利用玻 璃密封层8、9进行密封固定。玻璃密封层8、9 一般由硼硅酸玻璃和金属粉末混合调制，在 将该调制好的混合物以夹持电阻体7的方式注入到绝缘子2的轴孔4内后，从后方按压所 述端子电极6，同时在烧结炉内进行加热以烧结。另外，此时，也可以在绝缘子2的后端侧胴 部10表面同时烧成釉层，也可以在事前形成釉层。然后，将如上所述分别制作出的具有中心电极5和端子电极6的绝缘子2与具有 接地电极27的主体零件3组装起来。更为详细地来说，通过对壁部形成得比较薄的主体零 件3的后端侧的开口部向径向内侧进行铆接，即形成上述铆接部20，从而进行固定。并且，最后，在使接地电极27从其中间部分向中心电极5侧弯曲，并且实施调整贵 金属电极头31、32之间的火花放电间隙33的大小的加工，由此得到火花塞1。如以上所详细叙述地，根据本实施方式，通过作为限制部的突出部5P和孔部31H 限制了贵金属电极头31相对于中心电极5在径向上的相对移动。因此，在焊接时，能够更 为可靠地防止熔融部41的大小随着贵金属电极头31的偏心产生偏差，能够实现焊接强度 的提高。此外，根据本实施方式，在中心电极5与贵金属电极头31的基端部中央部分之间 形成有封闭空间42。即，在焊接贵金属电极头31的时候，在中心电极5与贵金属电极头31 之间形成有空间的状态下形成熔融部41。因此，与使中心电极5的前端面整个区域与贵金 属电极头31的基端面整个区域接触的状态相比，减少了中心电极5与贵金属电极头31的 接触部分，从而不会使熔融能量增加，能够在中心电极5与贵金属电极头31的接触部分的 整个区域形成熔融部41。其结果是，防止了作为使耐损耗性和点火性能降低的原因的、熔融 金属在贵金属电极头31的前端面的附着，能够缓和在中心电极5和贵金属电极头31之间 产生的应力，能够提高贵金属电极头31的耐剥离性。进而，由于满足&彡C。/2且SH彡S”因此能够使作为热传导路径的、形成于封闭 空间42的外侧的环状部分具有足够的剖面面积且比较短。由此，能够充分地确保贵金属电 极头31的降温性能，能够实现耐损耗性的提高。此外，所述孔部31H的深度比所述突出部5P的高度大，因此在焊接时，在将贵金属 电极头31载置于中心电极5时，能够更为可靠地使中心电极5的前端面5F与贵金属电极 头31的基端面31F接触。因此，能够更为可靠地形成熔融部41，能够更为稳固地接合中心 电极5与贵金属电极头31。进而，由于熔融部41形成为不露出到封闭空间42，因此能够更为可靠地防止熔融 部41产生气孔，能够有效地防止熔融部41的强度降低。
此外，熔融部41的熔融深度La、Lb形成为贵金属电极头31与中心电极5的接触区 域的长度的一半[(QrS^/2]的0.7倍以上的足够的深度。即，根据本实施方式，能够通过 足够深且强度优良的熔融部41，更可靠地吸收在中心电极5和贵金属电极头31之间产生的 应力差。其结果是，能够尽力防止中心电极5与贵金属电极头31之间的氧化皮的发展，能 够进一步提高贵金属电极头31的耐剥离性。接着，为了确认上述实施方式所起到的作用效果，进行了焊接偏差确认试验。焊接 偏差确认试验的概要如下所述。即，对下述两种样本各自制作5份在中心电极设置突出 部，并且在圆柱状的贵金属电极头设置孔部，在将所述突出部嵌入于所述孔部的基础上，对 中心电极和贵金属电极头进行激光焊接的样本(实施例)；分别使中心电极的前端面和贵 金属电极头的基端面平坦地形成，并将两面重叠，然后对中心电极和贵金属电极头进行激 光焊接的样本(比较例)。并且，对制作好的各样本沿轴线进行切断，并分别测定该剖面中 的两个熔融部的熔融深度LXA、LB，并且求得两个熔融深度的差的绝对值。在表1中，示出了 比较例所述的各样本的熔融深度LA、LB、熔融深度的平均值(LA+LB)/2、以及熔融深度的差的 绝对值|LA-LB|。此外，在表2中，示出了实施例所述的各样本的熔融深度‘!^、熔融深度的 平均值(LA+LB)/2、以及熔融深度的差的绝对值|LA-LB|。另外，在各样本中，作为贵金属电极 头，均采用外径为0. 6mm、长度为0. 8mm的圆柱状电极头，此外，使激光束的照射能量为20W 并对贵金属电极头进行接合。表1 表2 如表1所示，可以明确在比较例所述的样本(样本1 5)中，(La+Lb)/2的值差 异很大，并且|La-Lb|的值至少在0.05mm以上，熔融部的大小会产生偏差。这被认为是因为 在激光焊接时，随着中心电极和贵金属电极头的旋转，贵金属电极头的中心轴相对于中心 电极的中心轴偏移，结果使从激光照射口到照射对象的距离产生了偏差。另一方面，如表2所示，可以明确，在实施例所述的样本(样本6 10)中，各样本 的(LA+LB)/2的值基本没有差异，此外，|La-Lb|的值变得极小，熔融部形成为大致相等的大 小。这被认为是因为通过设置突出部和孔部，能够防止贵金属电极头相对于中心电极的相 对移动，从而能够有效地防止从激光照射口到照射对象的距离产生偏差。接着，将实施例所述的样本和比较例所述的样本分别制作五份，并对各样本进行 耐剥离性评价试验。实施例所述的样本为在中心电极与贵金属电极头之间形成封闭空间 后，以20W或者25W的激光束照射能量形成熔融部，比较例所述的样本为在中心电极与贵 金属电极头之间未形成封闭空间，而以20W或25W的照射能量形成熔融部。耐剥离性评价 试验的概要如下所述。即，以使贵金属电极头的温度达到900°C的方式加热两分钟后，再逐 渐冷却1分钟，以此过程作为一个循环，对各样本进行1000个循环的加热、冷却。接着，在 1000个循环结束后，如图5(a)、(b)所示地，观察各样本的剖面，分别对两个熔融部测定形 成于贵金属电极头或中心电极之间的氧化皮S(图5中粗线所示的部位)沿与轴线CL1正 交的方向的长度SA、SB、以及上述熔融深度La、Lb。此后，以测定得到的氧化皮的长度的合计 值(SA+SB)除以所述熔融深度的合计值(La+Lb)并将结果乘以100，从而得到氧化皮的发展 比例(％)。另外，在一个熔融部剖面形成多处氧化皮的情况下，通过对各氧化皮的长度全 部进行合计以得到所述长度SA、SB。而且，在改变如上所述的照射能量的同时，制作多份具有封闭空间的实施例所述 的样本和不具有封闭空间的比较例所述的样本，通过观察各样本的表面，测定有熔融金属 附着于贵金属电极头的前端面的样本的制作比例(溅射发生比例)。在表3中示出了在比较例所述的样本中，在照射能量为20W的情况下、以及照射能 量为25W的情况下，氧化皮的发展比例以及该发展比例的平均值。此外，在表4中示出了在 实施例所述的样本中，在照射能量为20W的情况下、以及照射能量为25W的情况下，氧化皮 的发展比例以及该发展比例的平均值。而且，在表5中示出了在照射能量为20W的情况下、 以及照射能量为25W的情况下，比较例所述的样本和实施例所述的样本的溅射发生比例。表3
表 4 表5 如表3所示，可以明确比较例所述的样本(样本11 15)在照射能量为比较低的 20W的情况下容易发生氧化皮。另一方面，通过使照射能量增加到比较大的25W，能够抑制 氧化皮的发生，然而如表5所示，随着照射能量的增加，溅射发生比例也变得比较大。对此，如表4所示，可以明确实施例所述的样本(样本16 20)即使是在照射能 量为比较低的20W的情况下(即，能够抑制溅射发生比例的条件下)，也能够得到与照射能 量为25W的比较例所述的样本同等程度的氧化皮的发展比例。这被认为是因为，通过在贵 金属电极头与中心电极之间形成封闭空间，减少了中心电极与贵金属电极头的接触部分，因此能够以比较低的能量在中心电极的前端面与贵金属电极头的基端面的接触部分的大 致整个区域中形成熔融部。接着，制作如下的火花塞的样本在使从贵金属电极头的前端面到熔融部为止的 沿着轴线的距离为0. 15mm的同时，对圆柱状的封闭空间的宽度(相当于内径进行各 种变更，并且将各样本组装于排气量为2000CC的四汽缸发动机并进行相当于行驶10万km 的耐久试验。然后，在试验结束后，测定各样本的火花放电间隙的增加量(间隙增加量)。 另外，使各样本的贵金属电极头的外径C。均为0. 6mm，熔融前的贵金属电极头的高度均为 0.5mm。此外，使封闭空间沿轴线的高度为0.2mm。在表6中，示出了所述封闭空间的内径 &、所述封闭空间的内径&相对于贵金属电极头的外径C。的比(&/C。；以下称作直径对电 极头比)、以及间隙增加量。此外，在图6中示出了表示所述直径对电极头比与间隙增加量 的关系的图表。表6 如表6和图6所示，可以知道直径对电极头比(&/C。)超过50%的样本的间隙增 加量超过0. 15mm(S卩，熔融部露出到火花放电间隙)，从而耐损耗性不够充分。另一方面，直 径对电极头比饭/C。)在50%以下的样本的间隙增加量不足0. 15mm(即，熔融部未露出到 火花放电间隙)，具有优良的耐损耗性。这被认为是因为位于封闭空间的外侧的环状部分形 成为具有足够大的剖面面积，从而高效地进行了从贵金属电极头到中心电极的热传导。接着，制作具有外径为0. 6mm且熔融前的高度为0. 5mm的贵金属电极头(贵金属 电极头A)或者外径为0. 8mm且熔融前高度为0. 5mm的贵金属电极头(贵金属电极头B)，并 对圆柱状的封闭空间的高度SH(mm)进行各种变更的火花塞的样本，并且对各样本进行上述 的耐久试验，测定间隙增加量。另外，在具有贵金属电极头A的样本中，使封闭空间的内径
3mm，另一方面，在具有贵金属电极头B的样本中，使封闭空间的内径&为0. 4mm。在 表7中，示出了在具有贵金属电极头A的样本中，封闭空间的高度、封闭空间的高度相对于 封闭空间的内径的比(SH/SI;以下称作对内径比)、以及间隙增加量。此外，在表8中，示出 了在具有贵金属电极头B的样本中，封闭空间的高度SH、对内径比、以及间隙增加量。此外， 在图7中，示出了表示各个样本的对内径比与间隙增加量的关系的图表。另外，在图7中， 将具有贵金属电极头A的样本的试验结果以黑色四方形标出，将具有贵金属电极头B的样 本的试验结果以黑色三角形标出。表7
〔0169U 姆 8
〔0170|__|
(m)軎邶尉潮_如表7、8和图7所示，对内径比(S/S》在100%以下的样本的间隙增加量不足 0. 15mm，能够实现良好的耐损耗性。这被认为是因为位于封闭空间的外侧的环状部分形成 得比较短，从而高效地从贵金属电极头向中心电极进行热传递。以上，对各试验的结果进行总体地分析，为了实现焊接强度的提高，优选在限制贵金属电极头相对于中心电极在径向上的相对移动的同时对两者进行焊接，为了一并抑制焊 接不良(溅射)以及氧化皮，优选在中心电极与贵金属电极头之间形成封闭空间。此外，从实现耐损耗性的提高的观点来看，优选使封闭空间的内径(宽度)在贵金 属电极头的外径(宽度)的一半以下(即，满足hSC。/〗)，并且使封闭空间的高度在封闭 空间的内径(宽度)以下(即，满足ShSS》。接下来，通过改变熔融部的熔融深度La、Lb的大小，从而制作对贵金属电极头的宽 度C。和封闭空间的宽度&的差值的一半[(QrS^/2]相对于所述熔融深度LA、LB的比例 (熔融比例)进行了各种变更的火花塞的样本，并且对各样本进行上述的耐剥离性评价试 验，求得氧化皮的发展比例。在表9中示出了该试验的试验结果。另外，各样本以使熔融深 度La、Lb大小相同的方式形成熔融部。此外，使贵金属电极头的宽度C。为0. 7mm，使封闭空 间的宽度&为0. 2mm。而且，贵金属电极头由钼_5铱合金形成。表9 如表9所示，可以明确熔融比例在70%以上的样本的氧化皮的发展被有效地抑 制，并且具有优良的耐剥离性。此外，通过进一步增大熔融比例，能够实现更为优良的耐剥离性。根据上述结果，为了实现耐剥离性的进一步提高，可以说优选熔融比例、即 [(Co-S^/21/L^P [(Qt^/^/Lb在0.7以上。此外，为了进一步提高耐剥离性，可以说优 选熔融比例在0. 8以上，更为优选的是熔融比例在1. 0以上。然而，从防止熔融部形成时的气孔的产生、以及防止熔融部的强度降低的观点来 看，优选以熔融部不露出到封闭空间的方式设定熔融比例。另外，并不限定于上述实施方式的记载内容，例如也可以如下所述地进行实施。当 然，也可以有未在以下示出的其他的应用例、变更例。(a)在上述实施方式中，由形成于中心电极5的突出部5P、以及形成于贵金属电极 头31的孔部31H，构成用于限制贵金属电极头31相对于中心电极5在径向上的相对移动 的限制部，然而限制部的结构并不限定于此。因此，如图8所示，也可以由形成于中心电极 5的孔部5H以及形成于贵金属电极头31的、可与所述孔部5H嵌合的突出部31P构成限制部。此外，考虑到在贵金属电极头31形成上述孔部31H或突出部31P会使成本增加 等，如图9、10所示，也可以不对贵金属电极头31实施特殊的加工，通过在中心电极5设置 作为限制部的凹部5D、5E，从而限制贵金属电极头31相对于中心电极在径向上的相对移 动。另外，在设置凹部5D、5E的情况下，为了形成封闭空间42，例如可以如图9所示地将凹 进部5D形成为锥状，或者如图10所示地在凹部5E的底面设置孔部5C(图8 图10示出 的是形成熔融部41之前的状态)。另外，在图9中，在将中心电极5与贵金属电极头31接合时，将所述凹部5D的外周部分与贵金属电极头31基端面的外周部分焊接。(b)在上述实施方式中，在接地电极27的前端部设有贵金属电极头32，然而也可 以构成为省略贵金属电极头32。(c)在上述实施方式中，在包含轴线CL1的剖面中封闭空间42形成为长方形状，然 而封闭空间42的形状并不限定于此。因此，在包含轴线CL1的剖面中，也可以使封闭空间 42形成为三角形状或梯形形状。在该情况下，封闭空间42的宽度&被称为封闭空间42的 宽度的最大值，封闭空间42的高度311被称为封闭空间42的高度的最大值。(d)在上述实施方式中，具体描述了接地电极27接合于主体零件3的前端部26的 前端面的情况，然而本发明也可以应用于对主体零件的一部分(或者预先焊接于主体零件 的前端模具的一部分)进行切削以形成接地电极的情况(例如，日本特开2006-236906号 公报等)。此外，也可以在主体零件3的前端部26的侧面接合接地电极27。(e)在上述实施方式中，工具卡合部19形成为剖面呈六边形的形状，然而工具卡 合部19的形状并不限定于该种形状。例如，也可以形成为Bi-HEX(变形十二边形)形状 [IS022977 :2005(E)]等。
权利要求
一种内燃机用火花塞，其特征在于，具有中心电极，沿轴线延伸，并具有前端部和外周面；筒状的绝缘体，该绝缘体设于所述中心电极的外周面周围，并且具有外周面；筒状的金属壳，该金属壳设于所述绝缘体的外周面周围，并且具有前端部；贵金属电极头，设于所述中心电极的前端部，所述贵金属电极头包括前端部和基端部；接地电极，所述接地电极的一端固定于所述金属壳的前端部，所述接地电极的另一端与所述贵金属电极头的前端部之间形成有间隙；限制部，设于所述中心电极和所述贵金属电极头中的至少一方，所述限制部限制所述贵金属电极头相对于所述中心电极的移动；熔融部，焊接所述中心电极以及所述贵金属电极头的基端部的至少一部分；以及封闭空间，形成在所述贵金属电极头的基端部的中央部分与所述中心电极之间。
2.根据权利要求1所述的内燃机用火花塞，其特征在于， 所述熔融部通过照射激光束或电子束而形成。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机用火花塞，其特征在于， 所述限制部作为所述贵金属电极头或所述中心电极的一部分而设置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的内燃机用火花塞，其特征在于，在包含所述轴线的剖面中观察所述火花塞时，所述贵金属电极头的宽度C。、所述封闭 空间的宽度&、所述封闭空间的高度SH满足下述关系 Sx ^ C0/2 且
5.根据权利要求1至4中任一项所述的内燃机用火花塞，其特征在于，在包含所述轴线的剖面中观察所述火花塞时，所述贵金属电极头的宽度C。、所述封闭 空间的宽度&、所述熔融部中隔着所述轴线位于一方侧的熔融部的熔融深度LA、所述熔融 部中隔着所述轴线位于另一方侧的熔融部的熔融深度lb满足下述关系 La ^ [(Co-S^^JXO. 7 Lb ^ [(Co-S^^JXO. 7
6.根据权利要求1至5中任一项所述的内燃机用火花塞，其特征在于， 所述熔融部不露出到所述封闭空间。
7.一种火花塞的制造方法，所述火花塞具有 中心电极，沿轴线延伸，并具有前端部和外周面；筒状的绝缘体，该绝缘体设于所述中心电极的外周面周围，并且具有外周面；筒状的金属壳，该金属壳设于所述绝缘体的外周面周围，并且具有前端部；贵金属电极头，设于所述中心电极的前端部，所述贵金属电极头包括前端部和基端部；熔融部，通过焊接所述中心电极以及所述贵金属电极头而形成； 限制部，设于所述中心电极和所述贵金属电极头中的至少一方；以及 接地电极，所述接地电极的一端固定于所述金属壳的前端部，所述接地电极的另一端 与所述贵金属电极头的前端部之间形成有间隙，该火花塞的制造方法的特征在于，包括在所述中心电极与所述贵金属电极头的基端部的中央部分之间形成封闭空间； 在所述限制部限制所述贵金属电极头相对于所述中心电极移动时，在所述中心电极的 前端部载置所述贵金属电极头；通过在所述中心电极和所述贵金属电极头之间的边界的外表面使所述中心电极和所 述贵金属电极头熔融，在所述中心电极的前端部的表面和所述贵金属电极头的基端部的表 面接触的部分形成所述熔融部；通过所述熔融部的形成，将所述中心电极和所述贵金属电极头焊接。
8.根据权利要求7所述的火花塞的制造方法，其特征在于，通过在所述中心电极和所述贵金属电极头之间的边界的外表面照射激光束或电子束 来形成所述熔融部。
9.根据权利要求7或8所述的火花塞的制造方法，其特征在于， 所述限制部作为所述贵金属电极头或所述中心电极的一部分而设置。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的火花塞的制造方法，其特征在于，在包含所述轴线的剖面中观察所述火花塞时，所述贵金属电极头的宽度C。、所述封闭 空间的宽度&、所述封闭空间的高度SH满足下述关系 Sj ^ C0/2 且
11.根据权利要求7至10中任一项所述的火花塞的制造方法，其特征在于，在包含所述轴线的剖面中观察所述火花塞时，所述贵金属电极头的宽度C。、所述封闭 空间的宽度&、所述熔融部中隔着所述轴线位于一方侧的熔融部的熔融深度LA、所述熔融 部中隔着所述轴线位于另一方侧的熔融部的熔融深度Lb满足下述关系 LA ^ [(Co-S^^JXO. 7 LB ^ [(Co-S^^JXO. 7
12.根据权利要求7至11中任一项所述的火花塞的制造方法，其特征在于， 以使所述熔融部不露出到所述封闭空间的方式照射所述激光束或者电子束。
13.根据权利要求7至12中任一项所述的火花塞的制造方法，其特征在于， 所述限制部是形成于所述中心电极的前端部的中心的凹部，通过将所述贵金属电极头嵌合于所述凹部，所述限制部限制所述贵金属电极头相对于 所述中心电极的移动。
全文摘要
本发明提供内燃机用火花塞及其制造方法，使贵金属电极头相对中心电极的焊接强度提高，且不会导致耐损耗性或点火性能降低，更可靠地提高贵金属电极头的耐剥离性。火花塞具有沿轴线方向延伸的中心电极、设于中心电极的前端部的贵金属电极头、以及由中心电极和贵金属电极头相互熔融形成的熔融部。通过设于中心电极和贵金属电极头的至少一方的限制部限制贵金属电极头相对于中心电极在径向上的相对移动，然后通过照射激光束等形成熔融部。贵金属电极头的基端部的至少一部分经由熔融部接合于中心电极，在贵金属电极头的基端部中央部分与中心电极之间形成封闭空间。
文档编号H01T13/20GK101859984SQ20101016432
公开日2010年10月13日 申请日期2010年4月9日 优先权日2009年4月9日
发明者中村通, 那须弘哲 申请人:日本特殊陶业株式会社