KR101280708B1 - 스파크 플러그 - Google Patents

Abstract

절연체에 대한 카본의 부착·퇴적을 보다 확실하게 방지할 수 있어 내오손성의 향상을 도모한다. 스파크 플러그(1)는 축선(CL1)방향으로 연장되는 중심전극(5)과; 축선(CL1)방향으로 연장되는 축구멍(4)을 가짐과 아울러 중심전극(5)이 축구멍(4)에 설치된 절연애자(2)와; 절연애자(2)의 외주에 설치되며, 내주면에 절연애자(2)를 지지하기 위한 지지부(21)를 가지는 원통형상의 금속 쉘(3)과; 금속 쉘(3)의 선단부에서 연장되는 접지전극(27);을 구비한다. 절연애자(2)는 금속 쉘(3)의 지지부(21)에 지지되는 단차부(14)를 가짐과 아울러 단차부(14)의 축선(CL1)방향 선단측에 형성된 다리부(13)를 가진다. 절연애자(2)의 다리부(13)와 금속 쉘(3)의 내주면(3i)의 사이에 형성되는 공간(SP)의 용적은 100㎣ 이상 300㎣ 이하로 되고, 또한 다리부(13)의 표면의 중심선 평균 조도가 1.8㎛ 이하로 된다.

Description

스파크 플러그 {SPARK PLUG}

본 발명은 내연기관 등에 사용되는 스파크 플러그에 관한 것이다.

스파크 플러그는, 예를 들면 내연기관(엔진)에 부착되어 연소실 내의 혼합기에 대한 착화를 위해서 사용되는 것이다. 일반적으로 스파크 플러그는 축구멍을 가지는 절연체와, 상기 축구멍에 끼워지는 중심전극과, 절연체의 외주에 설치되는 금속 쉘과, 금속 쉘의 선단면에 설치되어 중심전극과의 사이에 불꽃방전간극을 형성하는 접지전극을 구비한다. 또, 금속 쉘과 절연체를 조립할 때에는 일반적으로 금속 쉘의 내주면에 형성되는 단차부와 절연체의 외주면에 형성되는 단차부가 금속제의 평판 패킹을 통해서 걸어맞춰진다(예를 들면, 특허문헌 1 등 참조).

특허문헌 1 ： 일본국 특개 2003-303661호 공보

그런데, 연소실 내에서는 혼합기의 불완전 연소 등에 의해서 카본이 발생하고, 이것이 절연체에 있어서의 혼합기나 연소가스에 쐬이는 부위(다리부)의 표면에 퇴적될 우려가 있다. 여기서, 다리부의 표면에 대한 카본의 퇴적이 진행되어 다리부의 표면이 카본에 의해서 덮여지게 되면, 중심전극에서부터 다리부에 퇴적된 카본을 타고서 금속 쉘로 전류가 리크(Leak)되거나 절연체와 금속 쉘의 사이에서 불꽃방전이 발생하게 됨으로써 불꽃방전간극에서의 정상적인 불꽃방전이 저해될 우려가 있다. 특히, 최근에 연비나 출력의 향상을 도모하기 위해서 사용되는 직분 엔진 등에 있어서는 절연체에 카본이 더 부착되기 쉽기 때문에 상기한 문제점의 발생이 더욱더 우려된다.

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 절연체에 대한 카본의 부착·퇴적을 보다 확실하게 방지할 수 있어 내오손성(耐汚損性)의 향상을 도모할 수 있는 스파크 플러그를 제공하는 것에 있다.

이하, 상기한 목적을 해결하는데 적합한 각 구성에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 필요에 따라서는 대응하는 구성에 특유의 작용 효과를 부기한다.

〈구성 1〉

본 구성의 스파크 플러그는, 축선방향으로 연장되는 봉형상의 중심전극과,

상기 축선방향으로 연장되는 축구멍을 가짐과 아울러 상기 중심전극이 상기 축구멍에 설치된 통형상의 절연체와,

상기 절연체의 외주에 설치되며, 자신의 내주면에 상기 절연체의 외주면과 직접 또는 간접적으로 접촉하여 상기 절연체를 지지하기 위한 지지부를 가진 원통형상의 금속 쉘과,

상기 금속 쉘의 선단부에서 연장되며, 자신의 선단부가 상기 중심전극의 선단부와의 사이에서 간극을 형성하는 접지전극을 구비하고,

상기 절연체는 상기 금속 쉘의 지지부에 지지되는 단차부를 가짐과 아울러 상기 단차부의 축선방향 선단측에 형성된 다리부를 가지는 스파크 플러그로서,

상기 절연체의 다리부와 상기 금속 쉘의 내주면의 사이에 형성되는 공간의 용적을 100㎣ 이상 300㎣ 이하로 함과 아울러,

상기 다리부의 표면의 중심선 평균 조도를 1.8㎛ 이하로 한 것을 특징으로 한다.

한편, “중심선 평균 조도(中心線平均粗度)”는 JIS B0601로 규격되는 것으로, 간단하게 말하면, 소정 길이의 범위에 있어서의 단면의 외형선과 상기 외형선의 중심선과의 사이의 영역의 합계 면적(단면 곡선과 중심선의 거리의 적분)을 산출한 후, 상기 합계 면적을 상기 소정 길이로 나눔에 의해서 얻어지는 값이다.

또, 중심전극이나 접지전극의 선단부에 귀금속 합금으로 이루어지는 귀금속 팁을 부착하는 것으로 하여도 좋다. 여기서, 양 전극에 귀금속 팁을 부착한 경우, 상기 간극은 양 귀금속 팁 사이에 형성되는 것이 되고, 일방의 전극에만 귀금속 팁을 부착한 경우, 상기 간극은 일방의 전극에 부착된 귀금속 팁과 타방의 전극의 선단부의 사이에 형성되는 것이 된다(이하 같다).

또한 “상기 절연체의 다리부와 상기 금속 쉘의 내주면의 사이에 형성되는 공간”은 상세하게 설명하면, 다리부와 금속 쉘의 사이에 형성되는 공간으로서, 예를 들면 스파크 플러그를 내연기관에 조립한 경우에 있어서는 연소실의 내부 공간에 연결되는 것을 의미한다.

상기 구성 1에 의하면, 절연체의 다리부와 금속 쉘의 내주면의 사이에 형성되는 공간의 용적(이하, "가스 볼륨"이라 한다)이 100㎣ 이상으로 된다. 이것에 의해서 절연체와 금속 쉘의 사이의 거리를 비교적 크게 확보할 수 있어 절연체와 금속 쉘의 사이에서 불꽃방전이 발생하는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 한편, 상기 가스 볼륨이 300㎣ 이하로 되기 때문에, 상기 공간의 개구부가 극도로 넓어지는 것을 억제할 수 있어 상기 공간으로의 카본의 침입을 억제할 수 있다.

또한, 다리부에 대해서는 그 표면의 중심선 평균 조도가 1.8㎛ 이하로 평활화(平滑化)되어 있다. 즉, 다리부의 표면에는 카본이 걸리거나 끼이는 것 같은 요철이 거의 형성되어 있지 않다. 이것에 의해서 다리부의 표면에 대한 카본의 부착·퇴적을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

이상과 같이 본 구성 1에 의하면, 상기한 각 작용 효과가 상승적(相乘的)으로 작용함으로써 내오손성의 비약적인 향상을 도모할 수 있다.

〈구성 2〉

본 구성의 스파크 플러그는, 상기 구성 1에 있어서, 상기 다리부의 표면의 중심선 평균 조도를 1.5㎛ 이하로 한 것을 특징으로 한다.

상기 구성 2에 의하면, 다리부의 표면의 중심선 평균 조도가 1.5㎛ 이하로 되기 때문에, 다리부의 표면에 대한 카본의 부착·퇴적을 더욱더 확실하게 방지할 수 있어 내오손성의 향상을 한층 더 도모할 수 있다.

〈구성 3〉

본 구성의 스파크 플러그는, 상기 구성 1 또는 구성 2에 있어서, 상기 공간의 용적을 130㎣ 이상 240㎣ 이하로 한 것을 특징으로 한다.

상기 구성 3에 의하면, 가스 볼륨이 130㎣ 이상 240㎣ 이하로 되기 때문에, 절연체와 금속 쉘의 사이의 거리를 보다 크게 확보할 수 있는 한편으로, 절연체와 금속 쉘의 사이의 상기 공간의 개구부를 충분히 작은 것으로 할 수 있다. 이것에 의해서 절연체와 금속 쉘의 사이에 있어서의 이상(異常)불꽃방전의 발생 및 상기 공간으로의 카본의 침입을 더욱더 확실하게 억제할 수 있어 내오손성의 향상을 더욱더 도모할 수 있다.

〈구성 4〉

본 구성의 스파크 플러그는, 상기 구성 1 내지 구성 3 중 어느 한 구성에 있어서, 상기 금속 쉘의 내주면 중 적어도 상기 절연체의 다리부와 대향하는 부위의 표면의 중심선 평균 조도를 0.8㎛ 이하로 한 것을 특징으로 한다.

상기 구성 4에 의하면, 금속 쉘의 내주면 중 적어도 절연체의 다리부와 대향하는 부위(환언하면, 상기 공간을 형성하는 부위)에 대해서, 그 표면의 중심선 평균 조도가 0.8㎛ 이하로 평활화되어 있다. 따라서, 금속 쉘에 있어서의 절연체와의 사이에서 이상불꽃방전이 발생할 수 있는 부위의 표면에 대한 카본의 부착·퇴적을 억제할 수 있으며, 더 나아가서는 내오손성의 향상을 더욱더 도모할 수 있다.

〈구성 5〉

본 구성의 스파크 플러그는, 상기 구성 1 내지 구성 4 중 어느 한 구성에 있어서, 상기 축선과 직교하는 방향을 따르는 상기 금속 쉘의 선단과 상기 절연체의 사이의 거리를 W라 하고, 상기 간극의 크기를 G라 하였을 때, "0.5G≤W≤1.5G"를 만족하는 것을 특징으로 한다.

상기 구성 5에 의하면, 금속 쉘의 선단과 절연체의 사이의 상기 축선과 직교하는 방향을 따르는 거리(클리어런스)(W)가 상기 간극의 크기(G)의 0.5배 이상 1.5배 이하로 되어 있다. 즉, "0.5G≤W"를 만족하도록 충분히 큰 클리어런스를 확보함으로써, 금속 쉘의 선단과 절연체의 사이에 있어서의 이상불꽃방전{래터럴 점프 스파크(lateral jump spark)}의 발생을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 한편, "W≤1.5G"로 하여 금속 쉘과 절연체의 사이에 형성되는 상기 공간의 개구부를 비교적 좁힘으로써, 상기 공간으로의 카본의 침입을 더욱더 억제할 수 있다. 또한, 금속 쉘의 선단 내주면에 모따기가 실시되어 있는 경우, 거리(W)는 금속 쉘의 선단면과 내주면의 교점에서부터 절연체까지의 사이의 상기 축선과 직교하는 방향을 따르는 거리로 하는 것으로 한다.

〈구성 6〉

본 구성의 스파크 플러그는, 상기 구성 1 내지 구성 5 중 어느 한 구성에 있어서, 상기 금속 쉘은 연소장치의 부착구멍에 나사결합하기 위한 나사부를 가짐과 아울러, 상기 나사부의 외경이 M10 이하로 된 것을 특징으로 한다.

또한, “연소장치”는 예를 들면, 내연기관이나 버너를 가지는 연소 개질기나 보일러 등을 들 수 있다.

최근에는 스파크 플러그의 소경화(小徑化)를 실현하기 위해서 절연체나 금속 쉘의 소경화가 행해지고 있다. 여기서, 금속 쉘의 기계적 강도를 충분히 확보하기 위해서는 금속 쉘의 두께를 어느 정도 확보해야 한다. 따라서, 금속 쉘의 내경이 더 작은 것으로 되고, 더 나아가서는 다리부와 금속 쉘의 사이의 거리가 비교적 작은 것으로 될 수 있다. 또, 소경화된 절연체에 대해서는 카본의 퇴적량이 비교적 적더라도 다리부의 전 영역이 덮여질 우려가 있다. 즉, 소경화된 스파크 플러그는 충분한 내오손성을 확보하는 것이 특히 어렵다.

이 점에서, 본 구성 6의 스파크 플러그는 나사부의 외경이 M10 이하로 소경화되어 있어 충분한 내오손성의 확보가 어려운 구성이지만, 상기한 구성 1 등을 채용함으로써 우수한 내오손성을 실현할 수 있다. 즉, 상기한 각 구성은 나사부의 외경이 M10 이하로 비교적 소경화된 스파크 플러그에서 특히 의미가 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 있어서의 스파크 플러그의 구성을 나타내는 일부 파단 정면도이다.
도 2는 스파크 플러그의 선단부의 구성을 나타내는 일부 파단 확대도이다.
도 3은 다리부와 금속 쉘의 사이의 공간에 대해서 설명하기 위한 단면 모식도이다.
도 4는 내오손성 평가시험에 있어서의 "다리부의 표면의 중심선 평균 조도"와 "비정규 방전 발생률"의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 내오손성 평가시험에 있어서의 "가스 볼륨"과 "비정규 방전 발생률"의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 내오손성 평가시험에 있어서의 "금속 쉘의 내주면의 표면의 중심선 평균 조도"와 "비정규 방전 발생률"의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 내오손성 평가시험에 있어서의 "불꽃방전간극의 크기(G)에 대한 클리어런스의 크기(W)의 비율(W/G)"과 "비정규 방전 발생률"의 관계를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 일 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 스파크 플러그(1)를 나타내는 일부 파단 정면도이다. 또한, 도 1에서는 스파크 플러그(1)의 축선(CL1)방향을 도면에 있어서의 상하방향으로 하고, 하측을 스파크 플러그(1)의 선단측, 상측을 스파크 플러그(1)의 후단측으로 하여 설명한다.

스파크 플러그(1)는 통형상을 이루는 절연체로서의 절연애자(2), 이것을 유지하는 통형상의 금속 쉘(3) 등으로 구성되는 것이다.

절연애자(2)는 주지된 바와 같이 알루미나 등을 소성하여 형성되어 있으며, 그 외형부에 있어서, 후단측에 형성된 후단측 몸통부(10)와, 상기 후단측 몸통부(10)보다도 선단측에 지름방향 외측으로 향해서 돌출 형성된 큰 지름부(11)와, 상기 큰 지름부(11)보다도 선단측에 이것보다도 작은 지름으로 형성된 중간 몸통부(12)를 구비하고 있다. 또, 절연애자(2)는 상기 중간 몸통부(12)보다도 선단측에 이것보다도 작은 지름으로 형성된 다리부(13)를 구비하고 있다. 상기 다리부(13)는, 예를 들면 스파크 플러그(1)를 연소장치로서의 내연기관에 조립하였을 때에 상기 내연기관의 연소실에 노출되는 부위이다. 또한, 상기 다리부(13)와 중간 몸통부(12)의 연접부에는 테이퍼 형상의 단차부(14)가 형성되어 있으며, 상기 단차부(14)에 의해서 절연애자(2)가 금속 쉘(3)에 걸어맞춰져 있다.

또한, 절연애자(2)에는 축선(CL1)을 따라서 축구멍(4)이 관통되게 형성되어 있으며, 상기 축구멍(4)의 선단측에는 중심전극(5)이 삽입·고정되어 있다. 상기 중심전극(5)은 전체적으로 봉형상(원기둥형상)을 이루며, 그 선단면이 평탄하게 형성됨과 아울러 절연애자(2)의 선단에서 돌출되어 있다. 또, 중심전극(5)은 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 내층(5A)과, 니켈(Ni)을 주성분으로 하는 Ni합금으로 이루어지는 외층(5B)을 구비하고 있다. 또한, 상기 중심전극(5)의 선단부에는 귀금속 합금(예를 들면, 이리듐 합금)에 의해서 형성된 원기둥형상의 귀금속 팁(31)이 접합되어 있다.

또, 축구멍(4)의 후단측에는 단자전극(6)이 절연애자(2)의 후단에서 돌출된 상태로 삽입·고정되어 있다.

또한, 축구멍(4)에 있어서의 중심전극(5)과 단자전극(6)의 사이에는 원기둥형상의 저항체(7)가 배치되어 있다. 상기 저항체(7)의 양 단부는 전도성의 유리밀봉층(8,9)을 통해서 중심전극(5)과 단자전극(6)에 각각 전기적으로 접속되어 있다.

또한, 상기 금속 쉘(3)은 저탄소강 등의 금속에 의해서 통형상으로 형성되어 있으며, 그 외주면에는 스파크 플러그(1)를 연소장치에 부착하기 위한 나사부(숫나사부)(15)가 형성되어 있다. 또, 나사부(15)의 후단측의 외주면에는 시트부(16)가 형성되고, 나사부(15)의 후단의 나사 목부(17)에는 링형상의 개스킷(18)이 끼워져 있다. 또한, 금속 쉘(3)의 후단측에는 이 금속 쉘(3)을 연소장치에 부착할 때에 렌치 등의 공구를 걸어맞추기 위한 단면 육각형상의 공구 걸어맞춤부(19)가 형성됨과 아울러, 후단부에 있어서 절연애자(2)를 유지하기 위한 코킹부(20)가 형성되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는 스파크 플러그(1)가 비교적 소경화(小經化)되어 있으며, 상기 나사부(15)의 외경이 M10 이하로 되어 있다.

또, 금속 쉘(3)의 내주면(3i)에는 절연애자(2)를 걸어맞추기 위한 테이퍼 형상의 지지부(21)가 형성되어 있다. 그리고, 절연애자(2)는 금속 쉘(3)의 후단측에서 선단측으로 향해서 삽입되되, 자신의 단차부(14)가 금속 쉘(3)의 지지부(21)에 걸어맞춰진 상태에서 금속 쉘(3)의 후단측의 개구부를 지름방향 내측으로 코킹함에 의해서, 즉 상기 코킹부(20)를 형성함에 의해서 고정된다. 또한, 절연애자(2)의 단차부(14)와 금속 쉘(3)의 지지부(21)의 사이에는 원환형상의 평판 패킹(22)이 개재되어 있다. 이것에 의해서 연소실 내의 기밀성이 유지됨으로써, 연소실 내에 노출되어 있는 절연애자(2)의 다리부(13)와 금속 쉘(3)의 내주면(3i)의 사이의 공간으로 흘러 들어가는 연료 공기가 외부로 누출되지 않도록 되어 있다.

또한, 코킹에 의한 밀폐를 더 완전하게 하기 위해서, 금속 쉘(3)의 후단측에 있어서는 금속 쉘(3)과 절연애자(2)의 사이에 환형상의 링부재(23,24)가 개재되고, 이들 링부재(23,24) 사이에는 탈크(활석)(25)의 분말이 충전되어 있다. 즉, 금속 쉘(3)은 평판 패킹(22), 링부재(23,24) 및 탈크(25)를 통해서 절연애자(2)를 유지하고 있다.

또, 금속 쉘(3)의 선단부(26)에는 Ni합금으로 구성된 접지전극(27)이 접합되어 있다. 또한, 접지전극(27)의 선단부에는 귀금속 합금(예를 들면, 백금 합금)으로 이루어지는 원기둥형상의 귀금속 팁(32)이 접합되어 있다. 그리고, 도 2에 나타낸 바와 같이 상기 귀금속 팁(31)과 귀금속 팁(32)의 사이에는 간극으로서의 불꽃방전간극(33)이 형성되어 있으며, 상기 불꽃방전간극(33)에 있어서 상기 축선(CL1)을 거의 따르는 방향으로 불꽃방전이 행해진다.

또한, 본 실시형태에서는 도 3(도 3은 도 2에 있어서의 일점쇄선으로 둘러싸인 부위를 나타낸다)에 나타낸 바와 같이 상기 절연애자(2)의 다리부(13)와 상기 금속 쉘(3)의 내주면(3i)의 사이에 형성되는 공간(SP)(도 3에서 도트 해칭으로 나타낸 부위)의 용적(이하, “가스 볼륨”이라 한다)이 100㎣ 이상 300㎣ 이하로 되어 있다. 또한, 공간(SP)은 예를 들면 스파크 플러그(1)를 내연기관에 조립하였을 때에 상기 내연기관의 연소실 내부에 대해서 공간적으로 연결된다.

또한, 상기 다리부(13)는 그 표면에 연마가공이 실시되어 있으며, 그 표면의 중심선 평균 조도가 1.8㎛ 이하(예를 들면, 1.5㎛ 이하)로 되어 있다. 여기서, “중심선 평균 조도”는 예를 들면 비접촉식 삼차원 측정장치(Mitaka Kohki Co., Ltd의 제품 NH-3)로 측정할 수 있다.

도 2에 나타낸 바와 같이 상기 금속 쉘(3)의 내주면(3i) 중 상기 다리부(13)에 대향하는 부위의 표면에 대해서도 평활화되어 있으며, 이 부위의 표면의 중심선 평균 조도는 0.8㎛ 이하로 되어 있다.

또한, 상기 불꽃방전간극(33)의 크기를 G라 하고, 축선(CL1)에 직교하는 방향을 따르는 상기 금속 쉘(3)의 선단부(26)에서부터 절연애자(2){다리부(13)}까지의 거리(클리어런스)를 W라 하였을 때 "0.5G≤W≤1.5G"를 만족하도록 불꽃방전간극(33)의 크기(G) 등이 조정되어 있다.

이어서, 상기한 바와 같이 구성되어 이루어지는 스파크 플러그(1)의 제조방법에 대해서 설명한다.

우선 금속 쉘(3)을 미리 가공하여 둔다. 즉, 원기둥형상의 금속 소재(예를 들면, S17C나 S25C라는 철계 소재나 스테인리스 소재)를 냉간 단조 가공에 의해서 관통구멍을 형성하면서 개형(槪形)을 제조한다. 그 후, 절삭가공을 실시함에 의해서 외형을 조정하여 금속 쉘 중간체를 얻는다. 또한, 상기 관통구멍은 소정의 관통구멍 형성용 지그를 사용하여 절삭가공을 실시함에 의해서 형성되는데, 이 절삭가공은 소정의 회전속도로 또한 비교적 느린 이송속도로 실시된다. 이것에 의해서, 관통구멍에 대해서는 그 표면{즉, 금속 쉘(3)의 내주면(3i)}이 평활화(중심선 평균 조도가 0.8㎛ 이하로)되게 형성된다.

계속해서, 금속 쉘 중간체의 선단면에 Ni합금으로 이루어지는 긴 봉형상의 접지전극(27)이 저항 용접된다. 이 용접시에는 이른바 웰딩 드루프(welding droop)가 생기기 때문에, 이 웰딩 드루프를 제거한 후, 금속 쉘 중간체의 소정 부위에 나사부(15)가 전조에 의해서 형성된다. 이것에 의해서 접지전극(27)이 용접된 금속 쉘(3)이 얻어진다. 접지전극(27)이 용접된 금속 쉘(3)에는 아연 도금 혹은 니켈 도금이 실시된다. 또한, 내식성 향상을 도모하기 위해서 그 표면에 크로메이트 처리가 더 실시되는 것으로 하여도 좋다. 그 후, 접지전극(27)의 선단부의 도금이 제거된다.

한편, 상기 금속 쉘(3)과는 별도로 절연애자(2)를 성형 가공하여 둔다. 예를 들면, 알루미나를 주체로 하되 바인더 등을 포함하는 원료분말을 사용하여 성형용 소지 조립물(造粒物)을 조제하고, 이것을 이용하여 러버 프레스 성형을 실시함에 의해서 통형상의 성형체가 얻어진다. 얻어진 성형체에 대해서 연삭 가공이 실시되어 외형이 정형(整形)된다. 여기서, 연삭 가공은 표면 조도가 비교적 작은 숫돌을 사용하여 실시되며, 가공 후의 성형체에 있어서의 적어도 다리부(13)에 해당하는 부위의 표면이 비교적 평활화된다. 그리고, 정형된 것이 소성로에 투입되어 소성됨으로써, 다리부(13)의 표면의 중심선 평균 조도가 1.8㎛ 이하인 절연애자(2)가 얻어진다.

또한, 다리부(13)의 표면의 중심선 평균 조도는 작을 수록 바람직하지만, 중심선 평균 조도를 0.2㎛ 미만으로 하기 위해서는 소성 후의 절연애자(2)에 대해서 별도의 연마처리 등을 실시할 필요가 있게 된다. 따라서, 제조비용의 증대 억제를 도모한다는 관점에서, 다리부(13)의 표면의 중심선 평균 조도는 소성 후에 별도의 연마처리 등을 실시하지 않고서도 실현 가능한 정도의 조도인 것, 즉 다리부(13)의 표면의 중심선 평균 조도를 0.2㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또, 상기 금속 쉘(3) 및 절연애자(2)와는 별도로 중심전극(5)을 제조하여 둔다. 즉, 중앙부에 방열성 향상을 도모하기 위한 구리 합금을 배치한 Ni합금을 단조 가공하여 중심전극(5)을 제작한다. 그리고, 중심전극(5)의 선단부에 대해서 귀금속 팁(31)이 레이저 용접 등에 의해서 접합된다.

그리고, 상기한 바와 같이 하여 얻어진 절연애자(2)와 중심전극(5) 및 저항체(7)와 단자전극(6)이 유리밀봉층(8,9)에 의해서 봉합 고정된다. 유리밀봉층(8,9)으로서는 일반적으로 붕규산 유리와 금속 분말이 혼합되어 조제되고 있으며, 이 조제된 것을 저항체(7)를 사이에 두고서 절연애자(2)의 축구멍(4) 내에 주입한 후, 상기 단자전극(6)을 후방에서 압압한 상태로 한 후 소성로 내에서 구워 굳힌다. 또한, 이 때, 절연애자(2)의 후단측 몸통부(10)의 표면에는 유약층이 동시에 소성되는 것으로 하여도 좋고, 사전에 유약층이 형성되는 것으로 하여도 좋다.

그 후, 상기한 바와 같이 각각 제작된 중심전극(5) 및 단자전극(6)을 구비하는 절연애자(2)와 접지전극(27)을 구비하는 금속 쉘(3)이 조립된다. 보다 상세하게는, 비교적 두께가 얇게 형성된 금속 쉘(3)의 후단측의 개구부를 지름방향 내측으로 코킹함에 의해서, 즉 상기 코킹부(20)를 형성함에 의해서 고정된다.

계속해서, 도금이 제거된 접지전극(27)의 선단부에 귀금속 팁(32)이 저항 용접된다. 그리고, 최후로 접지전극(27)의 선단부분을 중심전극(5) 측으로 굴곡시킴에 의해서 귀금속 팁(31,32) 사이의 상기 불꽃방전간극(33)을 조정하는 가공이 실시되어 상기한 스파크 플러그(1)가 얻어진다.

이상 상세하게 설명한 바와 같이 본 실시형태에 의하면, 절연애자(2)의 다리부(13)와 금속 쉘(3)의 내주면(3i)의 사이에 형성되는 공간의 용적(가스 볼륨)이 100㎣ 이상으로 된다. 이것에 의해서 절연애자(2)와 금속 쉘(3)의 사이의 거리를 비교적 크게 확보할 수 있어 절연애자(2)와 금속 쉘(3)의 사이에서 불꽃방전이 발생하는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 한편, 상기 가스 볼륨이 300㎣ 이하로 되기 때문에, 상기 공간의 개구부가 극도로 넓어지는 것이 억제되어 상기 공간으로의 카본의 침입을 억제할 수 있다.

또한, 다리부(13)에 대해서는 그 표면의 중심선 평균 조도가 1.8㎛ 이하로 평활화되어 있다. 즉, 다리부(13)의 표면에는 카본이 걸리거나 끼이는 것 같은 요철이 거의 형성되어 있지 않다. 이것에 의해서 다리부(13)의 표면에 대한 카본의 부착·퇴적을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

이상과 같이 본 실시형태에 의하면, 상기한 각 작용 효과가 상승적으로 작용함으로써 내오손성의 비약적인 향상을 도모할 수 있다.

또, 금속 쉘(3)의 내주면(3i) 중 적어도 절연애자(2)의 다리부(13)와 대향하는 부위{환언하면, 상기 공간(SP)을 형성하는 부위}에 대해서, 그 표면의 중심선 평균 조도가 0.8㎛ 이하로 평활화되어 있다. 따라서, 절연애자(2)와의 사이에서 이상불꽃방전이 발생할 수 있는 부위의 표면에 대한 카본의 부착·퇴적을 억제할 수 있으며, 더 나아가서는 내오손성의 향상을 더욱더 도모할 수 있다.

또한, 금속 쉘(3)의 선단부(26)와 절연애자(2)의 사이의 상기 축선(CL1)과 직교하는 방향을 따르는 거리(클리어런스)(W)가 상기 불꽃방전간극(33)의 크기(G)의 0.5배 이상 1.5배 이하로 되어 있다. 즉, "0.5G≤W"를 만족하도록 클리어런스를 확보함으로써, 금속 쉘(3)의 선단부(26)와 절연애자(2)의 사이에 있어서의 이상불꽃방전(래터럴 점프 스파크)의 발생을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 한편, "W≤1.5G"로 하여 금속 쉘(3)과 절연애자(2)의 사이에 형성되는 상기 공간(SP)의 개구부를 비교적 좁힘으로써, 상기 공간(SP)으로의 카본의 침입을 더욱더 억제할 수 있다.

이어서, 본 실시형태에 의해서 얻어지는 작용 효과를 확인하기 위해서, 다리부의 표면의 중심선 평균 조도를 여러 가지로 변경한 스파크 플러그의 샘플을 복수개 제작하고, 각 샘플에 대해서 내오손성 평가시험을 실시하였다. 여기서, 내오손성 평가시험은 JIS D1606로 규정되어 있는 "카본 파울링 테스트(carbon fouling test)"이며, 상세하게는 다음과 같다. 즉, 저온 시험실 내(-10℃)의 섀시 다이나모미터 상에 배기량 1600㏄의 4기통 엔진을 가지는 시험용 자동차를 놓고, 상기 시험용 자동차의 엔진에 각 스파크 플러그의 샘플을 각 기통에 대응하여 4개 조립한다. 그리고, 레이싱(racing)을 3회 실시한 후, 3속 35km/h로 40초간 주행하고, 90초간의 아이들링을 사이에 두고서 재차 3속 35km/h로 40초간 주행한다. 그 후, 엔진을 한번 정지·냉각시킨다. 계속해서, 레이싱을 3회 실시한 후, 1속 15km/h로 20초간 주행하는 것을 30초간의 엔진 정지를 사이에 두고서 합계 3번 실시하고, 그 후 엔진을 정지시킨다. 이 일련의 테스트 패턴을 1사이클로 하여 10사이클 반복하고, 10사이클 종료 후에 아이들링 상태에서의 운전으로 전환하였다. 그리고, 아이들링 운전시에 있어서, 샘플에 인가되는 전압에 의거하는 방전파형을 얻고, 이 방전파형을 관찰하여 총 방전회수에 대한 이상불꽃방전(예를 들면, 전류의 리크나 래터럴 점프 스파크 등)의 발생회수의 비율(비정규 방전 발생률)을 측정하였다. 또한, 각 샘플 모두에 가스 볼륨을 170㎣, 불꽃방전간극의 크기를 1.1㎜, 축선과 직교하는 방향을 따르는 금속 쉘의 선단부와 절연애자의 사이의 거리(클리어런스)를 1.4㎜, 금속 쉘의 내주면의 중심선 평균 조도를 0.8㎛로 하였다. 도 4에 다리부의 표면의 중심선 평균 조도와 비정규 방전 발생률의 관계를 나타내는 그래프를 나타낸다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 다리부의 표면의 중심선 평균 조도를 1.8㎛ 이하로 한 샘플은 비정규 방전 발생률이 5% 이하로 되어 우수한 내오손 성능을 가지는 것이 분명하게 되었다. 이것은 다리부의 표면의 중심선 평균 조도를 1.8㎛ 이하로 한 것에 의해서 이상불꽃방전의 원인이 되는 카본의 다리부에 대한 부착·퇴적이 효과적으로 억제된 것에 기인한다고 생각된다. 또, 특히 다리부의 표면의 중심선 평균 조도를 1.5㎛ 이하로 한 샘플은 비정규 방전 발생률이 2% 이하로 되어 극히 우수한 내오손 성능을 실현할 수 있는 것을 알 수 있었다.

계속해서, 다리부의 표면의 중심선 평균 조도를 1.8㎛로 한 상태에서 가스 볼륨을 여러 가지로 변경한 스파크 플러그의 샘플을 제작하고, 각 샘플에 대해서 상기한 내오손성 평가시험을 실시하였다. 또한, 불꽃방전간극의 크기 등에 대해서는 상기한 시험과 같은 조건으로 하였다. 도 5에 가스 볼륨과 비정규 방전 발생률의 관계를 나타내는 그래프를 나타낸다.

도 5에 나타낸 바와 같이 가스 볼륨을 100㎣ 이상 300㎣ 이하로 한 샘플은 비정규 방전 발생률이 10% 이하로 되어 충분한 내오손 성능을 가지는 것이 분명하게 되었다. 이것은 가스 볼륨을 100㎣ 이상으로 한 것에 의해서 절연애자와 금속 쉘의 거리가 비교적 크게 확보되었기 때문에, 양자 간에 있어서의 이상불꽃방전의 발생이 억제된 것 및 가스 볼륨을 300㎣ 이하로 한 것에 의해서 절연애자와 금속 쉘의 사이의 공간으로의 카본의 과도한 침입이 억제된 것에 기인한다고 생각된다. 또, 특히 가스 볼륨을 130㎣ 이상 240㎣ 이하로 한 샘플은 비정규 방전 발생률이 5% 이하로 되어 우수한 내오손성을 가지는 것을 알 수 있었다.

이어서, 다리부의 표면의 중심선 평균 조도를 1.8㎛로 함과 아울러 가스 볼륨을 170㎣로 한 상태에서, 금속 쉘의 내주면의 표면의 중심선 평균 조도를 여러 가지로 변경한 스파크 플러그의 샘플을 제작하고, 각 샘플에 대해서 상기한 내오손성 평가시험의 사이클 회수를 10사이클로 한 때의 비정규 방전 발생률과, 15사이클로 한 때의 비정규 방전 발생률을 측정하였다. 또한, 불꽃방전간극의 크기 등에 대해서는 상기한 시험과 같은 조건으로 하였다. 도 6에 금속 쉘의 내주면의 표면의 중심선 평균 조도와 비정규 방전 발생률의 관계를 나타내는 그래프를 나타낸다. 또한, 도 6에 있어서는 사이클 회수를 10사이클로 한 때의 비정규 방전 발생률을 흑색 삼각형으로 플롯하고, 사이클 회수를 15사이클로 한 때의 비정규 방전 발생률을 흑색 원형으로 플롯하였다.

도 6에 나타낸 바와 같이 사이클 회수를 10사이클로 한 때에는 금속 쉘의 내주면의 표면의 중심선 평균 조도의 상위(相違)에 관계 없이 비정규 방전 발생률이 4%로 일정하였으나, 사이클 회수를 15사이클로 한 때에는, 즉 카본이 더 부착·퇴적되기 쉬운 조건으로 한 때에는, 금속 쉘의 내주면의 표면의 중심선 평균 조도를 0.8㎛ 이하로 한 샘플은 비정규 방전 발생률이 10% 이하로 되어 오손이 진행되기 쉬운 조건하임에도 불구하고 극히 우수한 내오손 성능을 가지는 것을 알 수 있었다. 이것은 금속 쉘의 내주면의 표면 조도를 비교적 작은 것으로 한 것에 의해서 금속 쉘의 내주면에 대한 카본의 부착·퇴적이 억제되고, 더 나아가서는 금속 쉘과 절연애자의 사이에 있어서의 이상불꽃방전의 발생이 억제되었기 때문이라고 생각된다.

계속해서, 불꽃방전간극의 크기(G)에 대한 상기 축선과 직교하는 방향을 따르는 금속 쉘의 선단부에서부터 절연애자까지의 거리(클리어런스)(W)의 비율(W/G)을 여러 가지로 변경한 스파크 플러그의 샘플을 제작하고, 각 샘플에 대해서 사이클 회수를 15사이클로 한 상태에서 상기 내오손성 평가시험을 실시하였다. 도 7에 W/G와 비정규 방전 발생률의 관계를 나타내는 그래프를 나타낸다.

도 7에 나타낸 바와 같이 "0.5≤W/G≤1.5"로 한 샘플은 카본이 더 부착·퇴적되기 쉬운 조건임에도 불구하고 비정규 방전 발생률이 10% 이하로 되어 충분한 내오손성을 실현할 수 있는 것이 분명하게 되었다. 이것은 "0.5≤W/G"로 된 것에 의해서 충분히 큰 클리어런스가 확보되어 금속 쉘의 선단과 절연체의 사이에 있어서의 이상불꽃방전의 발생이 억제된 것, 또 "W≤1.5G"로 된 것에 의해서 금속 쉘과 절연체의 사이에 형성되는 공간의 개구부를 비교적 좁힐 수 있고, 더 나아가서는 상기 공간으로의 카본의 침입이 억제된 것에 기인한다고 생각된다.

이상, 상기한 평가시험의 결과를 감안하면, 다리부의 표면의 중심선 평균 조도를 1.8㎛ 이하로 함과 아울러 가스 볼륨을 100㎣ 이상 300㎣ 이하로 하는 것이 내오손성의 향상을 도모함에 있어서 의미가 있다고 할 수 있다. 또, 다리부의 표면의 중심선 평균 조도를 1.5㎛ 이하로 하거나 가스 볼륨을 130㎣ 이상 240㎣ 이하로 하거나 금속 쉘의 내주면의 표면의 중심선 평균 조도를 0.8㎛ 이하로 하거나 혹은 "0.5≤W/G≤1.5"로 하는 것이 내오손성의 향상을 한층 더 도모한다는 관점에서 의미가 있다고 할 수 있다.

또한, 상기한 실시형태의 기재 내용에 한정하지 않고, 예를 들면 다음과 같이 실시하여도 좋다. 물론, 이하에서 예시하지 않은 다른 응용예, 변경예도 당연히 가능하다.

(a) 상기한 실시형태에서는 절연애자(2)가 금속 쉘(3)에 대해서 평판 패킹(22)을 통해서 간접적으로 걸어맞춰져 있으나, 평판 패킹(22)를 통하지 않고 절연애자(2)를 금속 쉘(3)에 대해서 직접적으로 걸어맞추는 것으로 하여도 좋다.

(b) 상기한 실시형태에서는 연소장치로서 내연기관을 예시하였으나, 스파크 플러그(1)를 사용할 수 있는 연소장치는 내연기관에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 예를 들면, 연료 개질기나 보일러의 버너 등에 점화하기 위해서 스파크 플러그(1)를 사용하는 것으로 하여도 좋다.

(c) 상기한 실시형태에서는 귀금속 팁(31,32)이 부착되어 있으나, 귀금속 팁(31,32) 중 어느 일방 혹은 쌍방을 생략하여 구성하는 것으로 하여도 좋다.

(d) 상기한 실시형태에서는 금속 쉘(3)의 선단부(26)에 접지전극(27)이 접합되는 경우에 대해서 구체화하였으나, 금속 쉘의 일부(또는 금속 쉘에 미리 용접되어 있는 선단 쉘의 일부)를 깎아 내도록 하고서 접지전극을 형성하는 경우에 대해서도 적용 가능하다(예를 들면, 일본국 특개 2006－236906호 공보 등).

(e) 상기한 실시형태에서는 공구 걸어맞춤부(19)가 단면 육각형상으로 되어 있으나, 공구 걸어맞춤부(19)의 형상에 관해서는 이러한 형상에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, Bi-HEX(변형 12각)형상 [ISO22977：2005(E)] 등으로 되어 있어도 좋다.

1 - 스파크 플러그 2 - 절연애자(절연체)
3 - 금속 쉘 3i - 금속 쉘의 내주면
4 - 축구멍 5 - 중심전극
13 - 다리부 14 - 단차부
15 - 나사부 21 - 지지부
27 - 접지전극 33 - 불꽃방전간극(간극)
CL1 - 축선

Claims (6)

1. 축선방향으로 연장되는 봉형상의 중심전극과,
   상기 축선방향으로 연장되는 축구멍을 가짐과 아울러 상기 중심전극이 상기 축구멍에 설치된 통형상의 절연체와,
   상기 절연체의 외주에 설치되며, 자신의 내주면에 상기 절연체의 외주면과 직접 또는 간접적으로 접촉하여 상기 절연체를 지지하기 위한 지지부를 가진 원통형상의 금속 쉘과,
   상기 금속 쉘의 선단부에서 연장되며, 자신의 선단부가 상기 중심전극의 선단부와의 사이에서 간극을 형성하는 접지전극을 구비하고,
   상기 절연체는 상기 금속 쉘의 지지부에 지지되는 단차부를 가짐과 아울러 상기 단차부의 축선방향 선단측에 형성된 다리부를 가지는 스파크 플러그로서,
   상기 절연체의 다리부와 상기 금속 쉘의 내주면의 사이에 형성되는 공간의 용적을 100㎣ 이상 300㎣ 이하로 함과 아울러,
   상기 다리부의 표면의 중심선 평균 조도를 1.8㎛ 이하로 한 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 다리부의 표면의 중심선 평균 조도를 1.5㎛ 이하로 한 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 공간의 용적을 130㎣ 이상 240㎣ 이하로 한 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 금속 쉘의 내주면 중 적어도 상기 절연체의 다리부와 대향하는 부위의 표면의 중심선 평균 조도를 0.8㎛ 이하로 한 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 축선과 직교하는 방향을 따르는 상기 금속 쉘의 선단부와 상기 절연체의 사이의 거리를 W라 하고, 상기 간극의 크기를 G라 하였을 때,
   0.5G≤W≤1.5G
   를 만족하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 금속 쉘은 연소장치의 부착구멍에 나사결합하기 위한 나사부를 가짐과 아울러, 상기 나사부의 외경이 M10 이하로 되는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
   

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