KR20130120531A

KR20130120531A - 스파크 플러그

Info

Publication number: KR20130120531A
Application number: KR1020137022928A
Authority: KR
Inventors: 하루키 요시다; 다카미츠 미즈노; 아츠시 즈카다
Original assignee: 니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
Priority date: 2011-02-02
Filing date: 2012-02-01
Publication date: 2013-11-04
Anticipated expiration: 2032-02-01
Also published as: JP5414896B2; KR101515314B1; CN103339810A; EP2672587A4; EP2672588A4; CN103339809B; EP2672588B1; US20130307402A1; JPWO2012105270A1; WO2012105255A1; WO2012105270A1; EP2672587A1; CN103339809A; JP5414897B2; EP2672587B1; EP2672588A1; US20130285534A1; US8963407B2; JPWO2012105255A1; US9124073B2

Abstract

본 발명의 과제는, 중심전극과 밀봉재의 접착성이 양호한 스파크 플러그의 제공이다. 본 발명의 스파크 플러그는, 축선 방향으로 연장되는 축구멍, 상기 축구멍의 선단측으로 연장되어 있는 제 1 내주면, 상기 축 구멍의 후단측으로 연장되되 상기 제 1 내주면보다 큰 직경을 가지는 제 2 내주면, 및 상기 제 1 내주면과 상기 제 2 내주면을 연결하는 선반부를 가지는 절연체와, 상기 선반부에 지지되어 상기 제 2 내주면에 의해 둘러싸이는 공간으로 연장되어 있는 머리부와 상기 머리부의 선단에서부터 연이어 형성되어 상기 제 1 내주면에 의해 둘러싸이는 공간으로 연장되어 있는 원기둥 형상의 다리부를 가지는 중심전극과, 상기 중심전극을 상기 축구멍 내로 유지하는 밀봉재를 구비하고, 상기 중심전극에 있어서 상기 다리부에서 후단으로 향해서 상기 다리부의 평균 외경보다 직경이 확대되기 시작하는 위치를 위치(P1)로 했을 때, 상기 위치(P1)에서부터 상기 중심전극의 선단까지의 축선방향거리가 15㎜ 이상, 상기 위치(P1)에서부터 상기 중심전극의 후단까지의 축선방향거리가 3.8㎜ 이상인 것을 특징으로 한다.

Description

스파크 플러그{SPARK PLUG}

본 발명은 내연기관의 점화에 이용되는 스파크 플러그에 관한 것이며, 특히 중심전극의 절연체의 축구멍 내로의 고정이 양호한 스파크 플러그에 관한 것이다.

자동차 엔진 등의 내연기관의 점화용으로 사용되고 있는 스파크 플러그는, 일반적으로, 통 형상의 금속 쉘과, 상기 금속 쉘의 내측 구멍에 배치되는 통 형상의 절연체와, 상기 절연체의 선단측 축구멍에 배치되는 중심전극과, 타단측 축구멍에 배치되는 금속단자와, 금속 쉘의 선단측에 일단이 접합되고, 타단이 중심전극과 대향해서 불꽃 방전 간극을 형성하는 접지전극을 구비한다.

그런데 근래, 과급기에 의한 출력 향상에 의해, 적은 연료로 주행거리를 늘리는 기술이 개발되고 있다. 이와 같은 내연기관에 있어서는, 연소실 내의 온도가 상승하는 경향이 있고, 스파크 플러그의 사용 환경은 점점 가혹하게 되고 있다. 스파크 플러그가 연소실 내에서 온도의 상승과 저하가 반복되면(이하에서 냉열 사이클이라고 하는 일이 있다.), 중심전극이 절연체의 축구멍 내에서 헐거워져, 흔들리는 일이 있다. 즉, 중심전극은 밀봉재에 의해서 절연체의 축구멍 내에 고정되어 있으므로, 냉열 사이클이 반복됨으로써 중심전극과 밀봉재의 고착력이 저하되기 쉬워지게 된다.

이와 같은 과제에 대해서, 예를 들면, 특허문헌 1의 청구항 1에는, 중심전극의 절연체 내에 있어서의 고착 강도를 향상시키기 위해, 「··상기 중심전극의 머리부의 외주에, 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.」가 기재되어 있다.

또, 특허문헌 2의 청구항 1에는, 유리 밀봉재에 의해서, 충분한 강도, 내충격성을 확보할 수 있도록 하기 위해, 「··상기 축구멍의 상기 대경(大徑) 구멍의 내경(d0), 상기 플랜지 형상부의 직경(d1), 상기 머리부의 직경(d2)이, 0≤d1－d2≤1㎜의 범위에 있고, 상기 플랜지 형상부의 선단측의 외측 가장자리에서부터 상기 머리부의 후단까지의 플랜지 머리 길이(h)가, 2.0≤h≤3.0㎜ 또한 (d0－d1)×5의 ±25％의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.」가 기재되어 있다.

특허문헌 1 : 일본국 특개2010－267425호 공보 특허문헌 2 : 일본국 특허 제3497009호 공보

본 발명은 중심전극과 밀봉재의 밀착성이 양호한 스파크 플러그를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단은,

(1) 축선방향으로 연장되는 축구멍, 상기 축구멍의 선단측으로 연장되어 있는 제 1 내주면, 상기 축구멍의 후단측으로 연장되되 상기 제 1 내주면보다 큰 내경을 가지는 제 2 내주면, 및 상기 제 1 내주면과 상기 제 2 내주면을 연결하는 선반부를 가지는 절연체와,

상기 선반부에 지지되어 상기 제 2 내주면에 의해 둘러싸이는 공간으로 연장되어 있는 머리부와, 상기 머리부의 선단에서부터 연이어 형성되어 상기 제 1 내주면에 의해 둘러싸이는 공간으로 연장되어 있는 원기둥 형상의 다리부를 가지는 중심전극과,

상기 선반부와 상기 제 2 내주면과 상기 머리부에 의해 둘러싸이는 공간에 충전됨으로써 상기 중심전극을 상기 축구멍 내로 유지하는 밀봉재를 구비한 스파크 플러그로서,

상기 중심전극에 있어서 상기 다리부에서 후단으로 향해서 상기 다리부의 평균 외경(H)보다 직경이 확대되기 시작하는 위치를 위치(P1)로 하면,

상기 위치(P1)에서부터 상기 중심전극의 선단까지의 축선방향거리(E)가 15㎜ 이상일 때, 상기 위치(P1)에서부터 상기 중심전극의 후단까지의 축선방향거리(A)가 3.8㎜ 이상인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그이다.

상기 (1)의 스파크 플러그에 있어서의 바람직한 형태로서 이하의 형태가 들어진다.

(2) 상기 평균 외경(H)이 1.7㎜ 이상이다.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 관련되는 스파크 플러그에 있어서, 상기 머리부는, 직경 방향으로 돌출하는 큰 직경부(이하, 「대경부(大徑部)」라고도 한다)}와 상기 대경부의 후단에서 후단측으로 돌출하는 돌출부를 가지며,

상기 돌출부를 포위하는 것이 가능한 최소 직경을 가지는 원통(S1)을 상정했을 때, 상기 원통(S1)의 내경(B)은 상기 대경부의 외경보다 작고, 2㎜ 이상 3.3㎜ 이하이다.

(4) 상기 (1)∼(3) 중의 어느 하나에 관련되는 스파크 플러그에 있어서, 상기 중심전극에 있어서, 상기 대경부와 상기 돌출부의 경계를 위치(P2)로 하면, 상기 위치(P2)와 상기 위치(P1) 사이의 축선방향거리(C)가 0.5㎜ 이상 3㎜ 이하이다.

(5) 상기 (1)∼(4) 중의 어느 하나에 관련되는 스파크 플러그에 있어서, 상기 축선방향거리(A)가 4㎜ 이상이다.

(6) 상기 (1)∼(5) 중의 어느 하나에 관련되는 스파크 플러그에 있어서, 상기 중심전극의 후단에 있어서의 상기 절연체의 내경(F)이 3.5㎜ 이하이다.

(7) 상기 (1)∼(6) 중의 어느 하나에 관련되는 스파크 플러그에 있어서, 상기 축선방향거리(A)가 4.5㎜ 이상이다.

(8) 상기 (1)∼(7) 중의 어느 하나에 관련되는 스파크 플러그에 있어서, 상기 중심전극의 후단에 있어서의 상기 절연체의 내경(F)이 2.9㎜ 이하이다.

본 발명의 스파크 플러그는, 상기 축선방향거리(E)가 15㎜ 이상일 때, 상기 축선방향거리(A)가 3.8㎜ 이상, 바람직하게는 4.5㎜ 이상이므로, 중심전극과 밀봉재의 밀착성이 양호한 스파크 플러그를 제공할 수 있다.

본 발명의 스파크 플러그는, 상기 원통(S1)의 내경(B)이 상기 대경부의 외경보다 작고, 2㎜ 이상 3.3㎜ 이하이고, 및/또는, 상기 축선방향거리(C)가 0.5㎜ 이상 3㎜ 이하이므로, 중심전극과 밀봉재의 밀착성이 보다 한층 양호한 스파크 플러그를 제공할 수 있다.

본 발명의 스파크 플러그는, 상기 평균 외경(H)이 1.7㎜ 이상, 및/또는, 상기 절연체의 내경(F)이 3.5㎜ 이하, 특히 2.9㎜ 이하일 때, 중심전극과 밀봉재의 밀착성의 향상에 대해서 특히 효과가 높다.

도 1은 본 발명에 관련되는 스파크 플러그의 일실시예인 스파크 플러그의 단면 전체 설명도이다.
도 2는 본 발명에 관련되는 스파크 플러그의 일실시예인 스파크 플러그의 주요부 단면 설명도이다.
도 3의 (a)∼(c)는 본 발명에 관련되는 스파크 플러그의 중심전극의 일실시예인 중심전극의 주요부 단면 설명도이다.

본 발명에 관련되는 스파크 플러그의 일실시예인 스파크 플러그를 도 1에 나타낸다. 도 1은 본 발명에 관련되는 스파크 플러그의 일실시예인 스파크 플러그(1)의 단면 전체 설명도이다. 또한, 절연체의 축선을 O으로 하고, 도 1에서는 지면 하측을 축선(O)의 선단 방향, 지면 상측을 축선(O)의 후단 방향으로서 설명한다.

상기 스파크 플러그(1)는, 축선(O) 방향으로 연장되는 축구멍(2)을 가지는 절연체(3)와, 상기 축구멍(2)의 선단측에서 밀봉재(6)에 의해 유지되는 중심전극 (4)과, 상기 축구멍(2)의 후단측에서 유지되는 금속단자(5)와, 상기 절연체(3)를 수용하는 금속 쉘(7)과, 일단이 상기 금속 쉘(7)의 선단면에 접합됨과 동시에 타단이 상기 중심전극(4)과 간극을 통하여 대향하도록 배치된 접지전극(8)을 구비한다.

상기 금속 쉘(7)은, 대략 원통 형상을 가지고 있고, 절연체(3)를 수용해서 유지하도록 형성되어 있다. 금속 쉘(7)에 있어서의 선단 방향의 외주면에는 나사부 (9)가 형성되어 있고, 상기 나사부(9)를 이용해서 도시하지 않는 내연기관의 실린더 헤드에 스파크 플러그(1)가 장착된다. 금속 쉘(7)은 도전성의 철강 재료, 예를 들면, 저탄소강에 의해 형성될 수 있다. 상기 나사부(9)는 소경화를 도모하기 위해 M12 이하로 되는 것이 바람직하다.

상기 접지전극(8)은, 예를 들면, 대략 각기둥체로 형성되어 이루어지고, 일단이 금속 쉘(7)의 선단면에 접합되며, 도중에 대략 ㄴ자로 구부러지고, 그 선단부가 중심전극(4)의 선단부와 간극을 통하여 대향하도록 그 형상 및 구조가 설계되어 있다. 접지전극(8)은 중심전극(4)을 형성하는 재료와 같은 재료에 의해 형성된다.

상기 금속단자(5)는, 중심전극(4)과 접지전극(8)의 사이에서 불꽃 방전을 실시하기 위한 전압을 외부에서 중심전극(4)으로 인가하기 위한 단자이다. 금속단자 (5)는, 축구멍(2)의 내경보다도 외경이 크고, 축구멍(2)으로부터 노출되어 절연체 (3)의 축선(O) 방향의 후단측 단면에 그 일부가 맞닿는 플랜지부(10)와 플랜지부 (10)의 축선(O) 방향의 선단측 단면에서 선단 방향으로 연장되되 축구멍(2)에 수용되는 대략 원기둥 형상의 봉 형상부(11)를 가진다. 금속단자(5)는, 예를 들면, 저탄소강 등으로 형성되고, 그 표면에 Ni금속층이 도금 등으로 형성되어 있다.

상기 절연체(3)는, 금속 쉘(7)의 내주부에 활석{(탈크)(12)} 또는 패킹(13) 등을 통하여 유지되어 있다. 절연체(3)는, 상기 축구멍(2)의 선단측으로 연장되어 있는 제 1 내주면(14), 상기 축구멍(2)의 후단측으로 연장되되 상기 제 1 내주면 (14)보다 큰 직경을 가지는 제 2 내주면(15), 상기 제 1 내주면(14)과 상기 제 2 내주면 (15)을 연결하는 선반부(16)를 가진다. 절연체(3)는, 그 선단 방향의 단부가 금속 쉘(7)의 선단면으로부터 돌출된 상태에서 금속 쉘(7)에 고정되어 있다. 절연체(3)는, 기계적 강도, 열적 강도, 전기적 강도 등을 가지는 재료인 것이 바람직하고, 이와 같은 재료로서 예를 들면, 알루미나를 주체로 하는 세라믹 소결체를 들 수 있다.

상기 중심전극(4)은, 상기 선반부(16)에 지지되어 상기 제 2 내주면(15)에 의해 둘러싸이는 공간으로 연장되어 있는 머리부(17)와 상기 머리부(17)의 선단에서부터 연이어 형성되어 상기 제 1 내주면(14)에 의해 둘러싸이는 공간으로 연장되어 있는 원기둥 형상의 다리부(18)와 다리부(18)의 선단에서부터 연이어 형성되어 다리부의 외경보다 직경이 축소되어 연장되어 있는 선단부(29)를 가지며, 선단이 절연체(3)의 선단면으로부터 돌출된 상태에서 금속 쉘(7)에 대해서 절연 유지되어 있다. 상기 머리부(17)는, 직경 방향으로 돌출되는 대경부(19)와 상기 대경부(19)의 후단에서 후단측으로 돌출되는 돌출부(20)를 가진다. 상기 선단부(29)는, 절연체(3)의 선단면으로부터 노출되어 있고, 원뿔 사다리꼴을 가지고 있다. 상기 형태에 있어서는, 상기 선단부(29) 전체가 절연체(3)의 선단면으로부터 노출되어 있지만, 상기 선단부(29)의 일부가 제 1 내주면(14)에 의해 둘러싸이는 공간으로 연장되어 있어도 좋다. 중심전극(4)은, 열전도성 및 기계적 강도 등을 가지는 재료로 형성되는 것이 바람직하고, 예를 들면, 인코넬(상표명) 600 등의 Ni기 합금으로 형성된다. 중심전극(4)은, Ni기 합금 등에 의해 형성된 외층{(外層)(27)}에 의해 내포(內包)되고, 상기 외층(27)보다 열전도율이 높은 재료로 형성된 축심부(28)를 가져도 좋으며, 상기 축심부(28)를 형성하는 재료로서 예를 들면, Cu, Cu합금, Ag, 또는 Ag합금 등을 들 수 있다.

상기 밀봉재(6)는, 상기 선반부(16)와 상기 제 2 내주면(15)과 상기 머리부 (17)에 의해 둘러싸이는 공간에 충전됨으로써 상기 중심전극(4)을 상기 축구멍(2) 내로 유지한다. 밀봉재(6)는, 붕규소산 소다 유리 등의 유리 분말, Cu, Fe 등의 금속 분말을 포함하는 밀봉 분말을 소결하여 형성될 수 있다. 밀봉재(6)의 저항값은 통상 수 100mΩ 이하이다.

중심전극(4)과 금속단자(5)의 사이에는, 상기 밀봉재(6)를 통하여 저항체 (21)가 형성되어 있다. 저항체(21)는, 중심전극(4)과 금속단자(5)를 전기적으로 접속하고, 상기 저항체(21)에 의해 전파 노이즈의 발생이 방지된다. 저항체(21)는, 붕규소산 소다 유리 등의 유리 분말, ZrO₂ 등의 세라믹 분말, 카본 블랙 등의 비금속 도전성 분말, 및/또는, Zn, Sb, Sn, Ag, Ni 등의 금속 분말 등을 함유하는 저항체 조성물을 소결하여 형성될 수 있다. 상기 저항체(21)의 저항값은, 통상 100Ω 이상이다.

상기 형태에 있어서는, 저항체(21)와 금속단자(5)의 사이에 상기 밀봉재(6)와 같은 재료에 의해 형성되는 제 2 밀봉재(22)가 형성되고, 금속단자(5)가 절연체 (3)에 대해서 봉합 고정되어 있다. 제 2 밀봉재는 필요에 따라서 형성되고, 제 2 밀봉재(22)가 없는 경우에는, 상기 저항체(21)에 의해 금속단자(5)가 절연체(3)에 대해서 봉합 고정된다.

상기 스파크 플러그는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 중심전극(4)에 있어서 다리부(18)에서 후단으로 향해서 다리부(18)의 평균 외경(H)보다 직경이 확대되기 시작하는 위치를 위치(P1)로 하면,

상기 위치(P1)에서부터 상기 중심전극(4)의 선단까지의 축선방향거리(E)가 15㎜ 이상일 때, 상기 위치(P1)로부터 상기 중심전극(4)의 후단까지의 축선방향거리(A)가 3.8㎜ 이상이며, 바람직하게는 4㎜ 이상, 더욱 바람직하게는 4.5㎜ 이상이다.

스파크 플러그가 연소실 내에서 온도의 상승과 저하가 반복되면, 중심전극 (4)과 접지전극의 사이에 발생하는 불꽃 방전에 의한 열 및 연소실 내의 열 등이 중심전극(4)의 선단에서 후단측으로 배치되어 있는 머리부(17)에 전도되어 중심전극(4)의 머리부(17)의 온도가 올라가고, 그 후 방냉되어 온도가 내려간다고 하는 사이클이 반복된다. 이와 같은 냉열 사이클이 반복되면, 중심전극(4)을 형성하는 재료와 밀봉재(6)를 형성하는 재료의 열팽창 계수의 차이에 의해, 머리부(17)와 밀봉재(6)의 계면 근방에 있어서의 밀봉재(6)에 기공(氣孔)이 형성된다. 스파크 플러그가, 냉열 사이클이 반복되고, 또 그 온도차가 클수록 머리부(17)의 열팽창이 커지고, 기공이 형성되기 쉬워지게 된다. 또, 기공과 기공의 사이에 균열이 발생하기 쉬워지게 된다. 또한, 내연기관을 가동시키면 진동이 발생하므로, 형성된 기공과 기공의 사이에 균열이 생기기 쉬워지고, 더욱더 공극(空隙)이 커지기 쉬워지게 된다.

그러나 상기 축선방향거리(A)가 상기 범위 내이면, 머리부(17)의 열팽창이 저감됨으로써 밀봉재(6)에 기공이 형성되는 것이 억제되고, 또 기공과 기공의 사이에 균열이 발생되는 것이 억제되므로, 중심전극(4)과 밀봉재(6)의 밀착성이 양호한 스파크 플러그를 제공할 수 있다. 이와 같은 스파크 플러그는, 온도의 상승과 저하가 반복되고, 또한, 그 온도차가 심한 연소실 내에 설치되어도, 중심전극(4)이 절연체(3)의 축구멍(2) 내에서 헐거워져 흔들거리는 것이 방지된다.

머리부(17)의 온도는, 상기 축선방향거리(E)가 다른 경우에는, 중심전극(4)의 선단부의 온도가 같더라도, 선단부에서 머리부(17)로 전도되는 열량의 차이에 의해 다르다. 축선방향거리(E)가 짧을 때, 즉 15㎜ 미만인 경우에는, 머리부(17)의 온도를 일정 온도 이하로 억제할 수 없으므로, 축선방향거리(A)를 길게 해도 상기 효과를 얻을 수 없다. 한편, 축선방향거리(E)가 길 때, 즉 15㎜ 이상인 경우에는, 축선방향거리(A)를 3.8㎜ 이상, 바람직하게는 4㎜ 이상, 더욱 바람직하게는 4.5㎜ 이상으로 하는 것에 의해 상기 효과가 얻어진다.

또한, 중심전극(4)의 선단에 귀금속에 의해 형성되는 귀금속 팁(30)이 형성되어 있는 경우에는, 상기 귀금속 팁(30)의 선단을 중심전극(4)의 선단으로 한다. 따라서, 귀금속 팁(30)이 형성되어 있는 경우에는, 상기 축선방향거리(E)는, 상기 위치(P1)로부터 귀금속 팁(30)의 선단까지의 축선방향거리이다.

상기 축선방향거리(A)가 3.8㎜ 이하인 경우에는, 머리부(17)의 온도가 상승하기 쉬워지게 되므로, 머리부(17)의 열팽창이 커지고, 밀봉재(6)에 기공 및 균열이 발생하기 쉬워지게 된다. 따라서, 중심전극(4)과 밀봉재(6)의 밀착성이 뒤떨어진다. 축선방향거리(A)가 긴, 예를 들면 5㎜를 넘으면, 불꽃 방전이 발생하는 위치로부터 저항체(21)의 위치가 멀어지므로, 전파 잡음을 억제하는 효과가 저하될 우려가 있다. 따라서, 축선방향거리(A)는 5㎜ 이하인 것이 바람직하다.

상기 다리부(18)의 평균 외경(H)은, 예를 들면, 다음과 같이 측정할 수 있다. 우선, 다리부(18)의 선단에서부터 축선(O)을 따라서 후단 방향으로 1㎜의 위치를 측정 개시점으로 하고, 상기 측정 개시점에서 직교하는 2방향의 다리부(18)의 직경을 측정한다. 마찬가지로 해서, 상기 측정 개시점에서 후단 방향으로 1㎜마다 5점에 있어서의 2방향의 직경을 측정하고, 이들의 10점의 측정값의 산술평균을 산출함으로써 평균 외경(H)을 얻을 수 있다.

상기 위치(P1)는, 상기 다리부(18)에서 후단 방향으로 향해서 평균 외경(H)보다 직경이 확대되기 시작하는 위치이며, 환언하면, 다리부(18)와 대경부(19)의 경계 부근에서 외경이 상기 평균 외경(H)보다 항상 큰 외경을 가지는 부위에 있어서의 축선(O) 방향의 선단 위치이다.

상기 평균 외경(H)이 1.7㎜ 이상일 때, 축선방향거리(A)가 3.8㎜ 이상인 것에 의한 효과는 특히 높다. 평균 외경(H)이 1.7㎜ 이상이면, 즉 다리부(18)가 굵을 수록, 다리부(18)의 선단에서 축선(O) 방향 후단측으로의 열전도 속도가 빨라지고, 상승한 다리부(18)의 선단의 온도를 재빠르게 내릴 수 있으므로 바람직하다. 한편, 평균 외경(H)이 1.7㎜ 이상일 때 머리부(17)의 온도는 상승하기 쉬워지게 된다. 따라서, 상기 축선방향거리(A)가 3.8㎜ 이상인 것에 의한 상기 효과가 높다. 또, 다리부(18)의 외경은 축구멍(2) 내에 형성하는 것이 가능한 외경이면 좋고, 평균 외경(H)은 통상 5㎜ 이하이다.

도 2에 나타내어지는 바와 같이, 상기 대경부(19)는, 축선(O) 방향의 선단측에서부터 차례로 직경 확대부{(23)(이하, 「확경부(擴徑部)」라고도 한다)}와 최대 직경부{(24)(이하, 「최대경부(最大徑部)」라고도 한다)}와 직경 축소부{(25)(이하, 「축경부(縮徑部)」라고도 한다)}를 가지고, 축경부(25)의 후단측에 돌출부 (20)가 연이어 형성되어 있다. 상기 확경부(23)가 상기 선반부(16)에 지지되고, 축구멍(2) 내에 중심전극(4)이 고정되어 있다. 이 실시형태에 있어서는, 확경부(23)는 테이퍼 형상으로 형성되고, 최대경부(24)의 외주면은 원기둥 형상으로 형성되며, 축경부(25)는 원기둥 형상의 최대경부(24)와 상기 최대경부(24)보다 외경이 작은 원기둥 형상의 돌출부(20)를 연결하여 축선(O)에 직교하는 평면으로서 형성되어 있다.

이 실시형태에 있어서는, 상기 돌출부(20)는 원기둥 형상으로 형성되고, 상기 돌출부(20)에 있어서의 대경부(19)와는 반대측의 단부에는 원뿔 형상의 오목부 (26)가 형성되어 있다. 오목부(26)가 형성되어 있으면, 밀봉재(6)와 머리부(17)가 접촉하는 면적이 증대하므로, 밀봉재(6)와 머리부(17)가 밀착하기 쉬워지게 된다.

상기 머리부(17)의 형상은, 중심전극(4)이 선반부(16)에 지지되어 축구멍(2)내에 고정되는 한 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 도 3에 나타내는 바와 같이, 여러 가지 형상을 채용할 수 있다. 예를 들면, 도 3의 (a)에 나타내는 바와 같이, 중심전극(4a)을 축선(O)을 따라서 절단한 절단면에 있어서의 머리부(17a)의 형상을, 머리부(17a)의 윤곽선에 대해서 중심전극(4a)의 선단측에서부터 차례로 설명하면, 확경부(23a)는, 축선(O)에 평행한 선분을 이루는 다리부(18a)의 후단으로부터 연속해서 상측으로 볼록한 곡선을 이루고, 최대경부(24a)는 상기 곡선의 후단으로부터 연속해서 축선(O)에 평행한 선분을 이루고, 축경부(25a)는 상기 선분의 후단으로부터 연속해서 하측으로 볼록한 곡선을 이루고, 돌출부(20a)는 상기 곡선의 후단으로부터 연속해서 축선(O)에 평행한 선분을 이루고 있다. 도 3의 (b)에 나타내는 머리부(17b)의 윤곽선에 대해서는, 대경부(19b)는, 축선(O)에 평행한 선분을 이루는 다리부(18b)의 후단으로부터 연속해서 축선(O)에 직교하는 방향으로 볼록한 곡선을 이루고, 돌출부(20b)는 상기 곡선의 후단으로부터 연속해서, 도 3의 (a)와 마찬가지로 축선(O)에 평행한 선분을 이루고 있다. 도 3의 (c)에 나타내는 머리부 (17c)의 윤곽선에 대해서는, 확경부(23c)는 축선(O)에 평행한 선분을 이루는 다리부(18c)의 후단으로부터 상기 선분에 직교하는 선분을 이루고, 최대경부(24c)는 상기 선분에 직교해서 축선(O) 방향으로 평행한 선분을 이루고, 축경부(25c)는 상기 선분의 후단으로부터 연속해서 축선(O)에 대해서 경사를 가지는 선분을 이루고, 돌출부(20c)는 상기 선분의 후단으로부터 연속해서 축선(O)에 대략 평행으로 파선을 그리는 선분을 이루고 있다. 돌출부(20c)의 윤곽선이 파선을 그리고 있는 것은, 돌출부(20c)의 표면에 나사 절삭 가공 등의 가공이 시행되어 있는 것에 의한다. 도 3의 (c)의 돌출부(20c)에 있어서의 가공이 시행된 표면과 마찬가지로, 최대경부(24a∼24c), 축경부(25a∼25c), 돌출부(20a∼20c)의 표면에는, 나사 절삭 가공 및 널링 (knurling) 가공 등이 시행되는 것에 의해 요철이 형성되어 있어도 좋다.

상기 돌출부(20)를 포위하는 것이 가능한 최소 직경을 가지는 원통(S1)을 상정했을 때, 상기 원통(S1)의 내경(B)은, 상기 대경부(19)의 외경보다 작고, 2㎜ 이상 3.3㎜ 이하인 것이 바람직하다. 돌출부(20)가 굵을수록 열팽창하는 체적이 증가하는 한편, 돌출부(20)가 굵을수록 열이 방출되기 쉬워지게 된다. 따라서, 상기 원통(S1)의 내경(B)이 상기 범위 내에 있는 것이 돌출부(20)의 열팽창을 저감하는데에 매우 적합하다. 따라서, 상기 원통(S1)의 내경(B)이 상기 범위 내이면, 중심전극(4)과 밀봉재(6)의 밀착성이 보다 한층 양호한 스파크 플러그(1)를 제공할 수 있다.

상기 중심전극(4)에 있어서, 대경부(19)와 돌출부(20)의 경계를 위치(P2)로 하면, 상기 위치(P2)와 상기 위치(P1) 사이의 축선방향거리(C), 즉 대경부(19)의 축선방향거리(C)가 0.5㎜ 이상 3㎜ 이하인 것이 바람직하다. 다리부(18) 및 돌출부 (20)보다 외경이 큰 대경부(19)의 축선방향거리(C)가 길수록 열팽창하는 체적이 증가하는 한편, 축선방향거리(C)가 길수록 열이 방출되기 쉬워지게 된다. 따라서, 상기 축선방향거리(C)가 상기 범위 내에 있는 것이 대경부(19)의 열팽창을 저감하는데에 매우 적합하다. 상기 축선방향거리(C)가 상기 범위 내이면, 중심전극(4)과 밀봉재(6)의 밀착성이 보다 한층 양호한 스파크 플러그를 제공할 수 있다.

축선방향거리(C)는, 위치(P1)와 위치(P2)의 축선방향거리이며, 위치(P1)의 위치는 상기한 바와 같이 규정되고, 위치(P2)는 중심전극(4)의 형상에 의해, 다음과 같이 규정할 수 있다. 위치(P2)는, 대경부(19)와 돌출부(20)의 경계이고, 환언하면, 대경부(19)와 돌출부(20)의 경계 부근에서 외경이 변화하는 위치이다. 도 2 및 도 3의 (b), (c)에 나타내는 바와 같이, 외경의 변화가 명확한 경우에는, 대경부(19)와 돌출부(20)의 경계 부근에서 가장 외경의 변화가 큰 위치를 위치(P2)로 한다. 한편, 도 3의 (a)에 나타내는 바와 같이, 대경부(19)와 돌출부(20)의 경계 부근에 있어서, 외경의 변화가 명확하지 않은 경우에는, 대경부(19)와 돌출부(20)의 경계 부근에서, 상기한 바와 같이 상정한 원통(S1)의 내경(B)보다 축선(O)의 선단 방향으로 향해서 외경이 커지기 시작하는 위치를 위치(P2)로 한다.

상기 중심전극(4)의 후단에 있어서의 상기 절연체(3)의 내경(F)이 3.5㎜ 이하, 특히 2.9㎜ 이하일 때, 상기 축선방향거리(A)가 3.8㎜ 이상인 것에 의한 효과는 특히 높다. 상기 내경(F)이 3.5㎜ 이하, 특히 2.9㎜ 이하인 것은, 자유로운 엔진 설계 및 엔진 자체의 소형화 등을 위해서 소형화한 스파크 플러그의 개발이 요구되고 있는 근래의 상황으로부터 바람직하다. 한편, 상기 내경(F)이 3.5㎜ 이하, 특히 2.9㎜ 이하이면, 후술하는 바와 같이, 밀봉재(6)를 형성하는 밀봉 분말을 축구멍(2) 내에 충전하여 열을 가하면서 압력을 가하는 것에 의해 중심전극(4)을 축구멍(2) 내로 봉합 고정할 때에, 밀봉재(6)를 압축하기 어렵기 때문에 밀봉재(6)에 기공이 발생하기 쉬워지게 된다. 따라서, 상기 축선방향거리(A)가 3.8㎜ 이상인 것에 의한 효과가 높다.

상기 스파크 플러그(1)는, 예를 들면 다음과 같이 해서 제조된다.

우선, 공지의 방법에 의해 소정의 형상으로 중심전극(4), 접지전극(8), 금속 쉘(7), 금속단자(5) 및 절연체(3)를 제작하고, 금속 쉘(7)의 선단면에 레이저 용접 등에 의해 접지전극(8)의 일단부를 접합한다.

한편, 절연체(3)의 축구멍(2) 내에 중심전극(4)을 삽입해서 축구멍(2)의 선반부(16)에 중심전극(4)의 확경부(23)를 걸어 고정하고, 제 1 내주면(15)에 의해 둘러싸이는 공간에 다리부(18)를, 제 2 내주면에 의해 둘러싸이는 공간에 머리부 (17)를 배치한다.

그 다음에, 밀봉재(6)를 형성하는 밀봉 분말, 저항체(21)를 형성하는 저항체 조성물, 및 제 2 밀봉재(22)를 형성하는 밀봉 분말을 상기 순서대로 상기 축구멍 (2) 내의 후단측에서 넣고, 프레스 핀을 축구멍(2) 내에 삽입해서 60N/㎟ 이상의 압력으로 예비 압축한다.

그 다음에, 상기 축구멍(2) 내의 후단측에서 금속단자(5)의 봉 형상부(11)를 삽입하고, 봉 형상부(11)가 밀봉 분말에 접촉하도록 금속단자(5)를 배치한다.

그 다음에, 밀봉 분말 및 저항체 조성물을, 밀봉 분말에 포함되는 유리 분말의 유리 연화점 이상의 온도, 예를 들면 800∼1000℃의 온도로 3∼30분에 걸쳐서 가열하면서, 금속단자(5)의 플랜지부(10)의 선단면이 절연체(3)의 후단면에 맞닿을 때까지 압입(壓入)해서 밀봉 분말 및 저항체 조성물을 압축 가열한다.

이렇게 해서 밀봉 분말 및 저항체 조성물을 소결하여 저항체(21), 밀봉재(6) 및 제 2 밀봉재(22)가 형성되고, 밀봉재(6) 및 제 2 밀봉재(22)에 의해 중심전극 (4) 및 금속단자(5)가 축구멍(2) 내에 봉합 고정된다. 이때, 중심전극(4)과 밀봉재 (6)의 열팽창 계수의 차이에 의해, 중심전극(4)과 밀봉재(6)의 계면 근방에 있어서의 밀봉재(6)에 복수의 기공이 형성된다.

그 다음에 접지전극(8)이 접합된 금속 쉘(7)에, 중심전극(4) 및 금속단자(5) 등이 고정된 절연체(3)를 조립한다.

마지막으로 접지전극(8)의 선단부를 중심전극(4) 측으로 접어 구부려서 접지전극(8)의 일단이 중심전극(4)의 선단부와 대향하도록 해서 스파크 플러그(1)가 제조된다.

본 발명에 관련되는 스파크 플러그는, 자동차용의 내연기관 예를 들면 가솔린엔진 등의 점화전으로서 사용되고, 내연기관의 연소실을 구획 형성하는 헤드(도시생략)에 형성된 나사구멍에 상기 나사부가 나사 결합되어 소정의 위치에 고정된다. 본 발명에 관련되는 스파크 플러그는, 어떤 내연기관에도 사용할 수 있지만, 종래부터 연소실 내부가 고온이 되는 환경하에서 사용되는 스파크 플러그에 있어서 특히 효과가 발휘된다.

본 발명에 관련되는 스파크 플러그는, 상기한 실시예에 한정되는 일은 없고, 본원 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위에 있어서, 여러 가지의 변경이 가능하다. 예를 들면, 본 발명에 관련되는 스파크 플러그는, 나사 직경에 의하지 않고 상기 요건을 만족함으로써 중심전극과 밀봉재의 밀착성이 양호한 스파크 플러그를 제공할 수 있다.

또, 상기 실시형태의 스파크 플러그(1)는, 중심전극(4)의 후단면 및 후단 외주면에 축심부(28)가 노출되어 있지만, 축심부(28)는 중심전극(4)의 후단면에만 노출되어 있어도 좋고, 또 축심부(28)가 노출되지 않고 외층(27)에 의해 모든 축심부 (28)가 피복되어 있어도 좋다. 본 발명에 관련되는 스파크 플러그는, 축심부의 노출 상태에 의하지 않고 상기 요건을 만족함으로써 중심전극과 밀봉재의 밀착성이 양호한 스파크 플러그를 제공할 수 있다.

상기 중심전극(4)과 상기 접지전극(8)이 대향하는 면에는, 백금 합금 및 이리듐 합금 등에 의해 형성되는 귀금속 팁(30, 31)이 형성되어 있어도 좋고, 상기 중심전극(4) 및 상기 접지전극(8) 중의 어느 일측에만 귀금속 팁이 형성되어 있어도 좋다. 상기 형태의 스파크 플러그(1)에 있어서는, 상기 중심전극(4) 및 상기 접지전극(8)의 양쪽 모두에 귀금속 팁(30, 31)이 형성되어 있고, 각 귀금속 팁(30, 31)의 사이에 불꽃 방전 간극(g)이 형성되어 있다.

실시예

＜스파크 플러그의 제작＞

도 1에 나타내는 스파크 플러그와 같은 형상을 가지는 스파크 플러그를, 상기한 제조공정에 따라서 제작했다. 절연체의 내경(F), 위치(P1)에서부터 중심전극의 후단까지의 축선방향거리(A), 돌출부를 내포하는 것이 가능한 최소 직경을 가지는 원통(S1)의 내경(B), 위치(P1)와 위치(P2)의 사이의 축선방향거리(C), 위치(P1)에서부터 중심전극의 선단까지의 축선방향거리(E), 위치(P2)에서부터 중심전극의 후단까지의 축선방향거리(G), 다리부의 평균 외경(H)을 변화시켜서, 표 1에 나타내는 여러 가지의 치수의 스파크 플러그를 제작했다.

상기 각종 치수에 대해서는, (F)는 TOSHIBA제 마이크로 CT스캐너(TOSCANER)를 이용해서 투시 화상에 의해 측정했다. (A), (B), (C), (E), (G), (H)는 스파크 플러그로부터 중심전극을 꺼내어 투영기에 의해 측정했다. (H)는, 상기한 바와 같이, 원기둥 형상의 다리부의 선단에서부터 축선을 따라서 후단 방향으로 1㎜의 위치를 측정 개시점으로 하고, 상기 측정 개시점에서 후단 방향으로 1㎜마다 5점에 있어서의 2방향의 직경을 측정해서 산출했다. (B)는, 돌출부의 최대 직경을 측정했다.

또한, 표 1의 시험 No. 12의 스파크 플러그는, 중심전극의 돌출부의 표면에 나사 가공이 시행되어 있는 것 이외는, 도 1에 나타내는 중심전극의 형상과 같게 했다. 표 1의 시험 No. 13의 스파크 플러그는, 중심전극의 돌출부의 형상을, 3 발톱 척(three-pawl chuck)에 의해 가공된 형상으로 한 것 이외는, 도 1에 나타내는 중심전극의 형상과 같게 했다. 이들의 형상을 가지는 돌출부의 (B)에 대해서는, 중심전극의 축선에 직교하는 방향으로부터 돌출부를 투영기로 촬영해서 돌출부의 직경 방향의 최대폭을 측정하고, 그 다음에 중심전극을 60°회전시켜서 돌출부의 최대폭을 측정하고, 마찬가지로 해서 중심전극을 60°회전시킬 때마다 측정한 합계 6개의 측정값 중의 최대값을 (B)로 했다.

또, 중심전극은, Cu를 주성분으로 하는 금속에 의해 형성되는 축심부와 상기 축심부를 내포하는 Ni를 주성분으로 하는 금속에 의해 형성되는 외층을 가지며, 위치(P2)에 있어서의 외층의 두께는 0.4㎜였다.

＜평가방법＞

(내충격성 시험)

제조한 스파크 플러그에 있어서, 중심전극의 선단부가 800℃가 되도록 버너로 가열하고, JIS B　8031의 7.4항에 준해서 내충격성 시험을 실시한 후에, 방냉을 실시하는 것을 1 사이클로 하여 상기 사이클을 반복해서 실시했다. 1 사이클마다 스파크 플러그의 저항체의 저항값을 측정하고, 12V로 측정한 저항값을 R₀, 3㎸로 측정한 저항값을 R₁로 했을 때의 R₁/R₀의 값이 0.6 이하일 때, 시험을 종료하고, 이때의 사이클 수에 의해, 중심전극과 밀봉재의 밀착성을 평가했다. 평가 기준은 이하와 같다. 결과를 표 1에 나타낸다.

1: 1 사이클 미만

2: 1 사이클 이상 2 사이클 미만

3∼8: 2 사이클 이상일 때는 1 사이클마다 1점 가산

9: 9 사이클 이상 10 사이클 미만

10: 10 사이클 이상

제조한 스파크 플러그에 있어서, 중심전극의 선단부가 850℃가 되도록 버너로 가열한 것 이외는, 시험 No. 1∼40과 같게 해서 시험을 실시했다. 결과를 표 2에 나타낸다.

본 발명의 범위에 포함되는 스파크 플러그는, 표 1 및 표 2에 나타내는 바와 같이, 냉열 사이클이 반복되어도 중심전극과 밀봉재의 밀착성이 양호하고, 저항값이 상승하기 어려웠다.

1 - 스파크 플러그 2 - 축구멍
3 - 절연체 4 - 중심전극
5 - 금속단자 6 - 밀봉재
7 - 금속 쉘 8 - 접지전극
9 - 나사부 10 - 플랜지부
11 - 봉 형상부 12 - 탈크
13 - 패킹 14 - 제 1 내주면
15 - 제 2 내주면 16 - 선반부
17 - 머리부 18 - 다리부
19 - 대경부 20 - 돌출부
21 - 저항체 22 - 제 2 밀봉재
23 - 확경부 24 - 최대경부
25 - 축경부 26 - 오목부
27 - 외층 28 - 축심부
29 - 선단부 30, 31 - 귀금속 팁

Claims

축선방향으로 연장되는 축구멍, 상기 축구멍의 선단측으로 연장되어 있는 제 1 내주면, 상기 축구멍의 후단측으로 연장되되 상기 제 1 내주면보다 큰 내경을 가지는 제 2 내주면, 및 상기 제 1 내주면과 상기 제 2 내주면을 연결하는 선반부를 가지는 절연체와,
상기 선반부에 지지되어 상기 제 2 내주면에 의해서 둘러싸이는 공간으로 연장되어 있는 머리부와, 상기 머리부의 선단에서부터 연이어 형성되어 상기 제 1 내주면에 의해서 둘러싸이는 공간으로 연장되어 있는 원기둥 형상의 다리부를 가지는 중심전극과,
상기 선반부와 상기 제 2 내주면과 상기 머리부에 의해서 둘러싸이는 공간에 충전됨으로써 상기 중심전극을 상기 축구멍 내에 유지하는 밀봉재를 구비한 스파크 플러그로서,
상기 중심전극에 있어서 상기 다리부에서 후단으로 향해서 상기 다리부의 평균 외경(H)보다 직경이 확대되기 시작하는 위치를 위치(P1)로 하면,
상기 위치(P1)에서부터 상기 중심전극의 선단까지의 축선방향거리(E)가 15㎜ 이상일 때, 상기 위치(P1)에서부터 상기 중심전극의 후단까지의 축선방향거리(A)가 3.8㎜ 이상인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1에 있어서,
상기 평균 외경(H)이 1.7㎜ 이상인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 머리부는, 직경 방향으로 돌출되는 대경부와 상기 대경부의 후단에서 후단측으로 돌출되는 돌출부를 가지며,
상기 돌출부를 포위하는 것이 가능한 최소 직경을 가지는 원통(S1)을 상정했을 때, 상기 원통(S1)의 내경(B)은 상기 대경부의 외경보다 작고, 2㎜ 이상 3.3㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중심전극에 있어서, 상기 대경부와 상기 돌출부의 경계를 위치(P2)라 하면, 상기 위치(P2)와 상기 위치(P1) 사이의 축선방향거리(C)가 0.5㎜ 이상 3㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 축선방향거리(A)가 4㎜ 이상인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중심전극의 후단에 있어서의 상기 절연체의 내경(F)이 3.5㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 축선방향거리(A)가 4.5㎜ 이상인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중심전극의 후단에 있어서의 상기 절연체의 내경(F)이 2.9㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.