KR101346973B1 - 스파크 플러그 - Google Patents

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KR101346973B1
KR101346973B1 KR1020117020057A KR20117020057A KR101346973B1 KR 101346973 B1 KR101346973 B1 KR 101346973B1 KR 1020117020057 A KR1020117020057 A KR 1020117020057A KR 20117020057 A KR20117020057 A KR 20117020057A KR 101346973 B1 KR101346973 B1 KR 101346973B1
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나오미치 미야시타
마모루 무사사
아키라 스즈키
가즈요시 도리이
도모아키 가토
Original Assignee
니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/39—Selection of materials for electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/20—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation
    • H01T13/32—Sparking plugs characterised by features of the electrodes or insulation characterised by features of the earthed electrode

Abstract

본 발명은 접지전극으로부터 돌출되는 점화부를 형성하는 방전부 및 받침대부 사이의 접합부에 형성되는 융융부의 구조적 특징을 결정함으로써 크랙 및 분리의 발생을 억제할 수 있는 스파크 플러그를 제공한다. 점화부(80)의 중심축(P)을 포함하는 단면의 윤곽선 형상에서, 용융부(83)의 노출 표면(88)은 방전부(81)의 측표면(82)과 받침대부(84)의 측표면(85)을 연결한다. 또한, 상기 용융부(83) 및 상기 받침대부(84) 사이의 경계 위치(X1) 및 상기 용융부(83) 및 상기 방전부(81) 사이의 경계 위치(X2)를 통과하는 가상선(Q), 및 노드(C)에서 상기 중심축(P) 사이에 형성되는 외각(θ)은 135°≤θ≤175°를 만족하고, 상기 방전부 구성물질의 선팽창 계수와 상기 받침대부 구성물질의 선팽창 계수 사이의 차이는 8.1×10-6[1/K] 이하임을 특징으로 한다.
더욱이, 방전부(81)의 외경(S)에 대한 용융부(83)의 형성깊이(T)의 비율(T/S)은 T/S≥0.5을 만족한다.

Description

스파크 플러그{SPARK PLUG}
본 발명은 중심전극과 함께 스파크 방전갭을 형성하는 침상 점화부가 접지전극에 제공되는 스파크 플러그에 관한 것이다.
최근 수년 동안, 내연엔진으로부터 배출되는 연소가스에 대하여 환경오염 대책의 강화가 요구되고 있다.
가연성(점화성능)의 증대는 연소가스의 정화에 기여하므로, 방전가공에 대하여 높은 저항을 갖는 귀금속을 사용하여 형성한 전극칩(방전부)이 중심전극을 향하여 돌출되도록 접지전극의 내표면에 제공되는 스파크 플러그가 개발되어 왔다. 이러한 구조를 갖는 스파크 플러그에서는, 종래의 스파크 플러그에 비하여, 스파크 방전갭으로부터 접지전극이 멀리 떨어져 위치되므로, 상기 스파크 방전갭 내에 형성되는 화염핵(불꽃심)은 그의 성장과정 초기단계에서 상기 접지전극에 도달할 가능성이 덜하다. 이러한 이유로, 상기 불꽃심이 상기 접지전극에 도달하여 상기 접지전극에 의하여 열이 흡수된다는 사실에 의하여 상기 불꽃심의 성장을 억제하는 소위 담금질 작용(quenching action)을 줄이게 되어, 상기 스파크 플러그의 점화성능을 개선하게 된다.
이러한 스파크 플러그에 있어서, 상기 전극칩에는 큰 열부하가 인가되므로, 상기 방전부와 상기 접지전극 사이의 접합부에는 크랙 또는 분리가 발생할 우려가 있다. 그러므로, 상기 방전부(점화부)와 상기 접지전극 사이의 접합을 위하여, 상기 방전부 및 상기 접지전극 양자의 선팽창(linear expansion) 계수들 사이의 선팽창 중간계수를 갖는 중간부재로서, 받침대부(돌기부)를 상기 방전부 및 상기 접지전극 사이에 개재한다. 이러한 받침대부로써, 상기 방전부, 상기 받침대부 및 상기 접지전극의 각 접합부에 발생하는 열응력을 완화하여, 상기 크랙 또는 분리의 발생의 감소시킨다 (예를 들면, 특허문헌 1 참조). 또한, 특허문헌 1에서, 상기 전극칩 및 상기 중간부재 사이의 접합은 용접에 따라 상기 접합부에 과도한 압력의 용접력이 가해지게 되는 저항용접이 아닌, 상기 접합부에 열을 용이하게 집중시킬 수 있으면서도 용접 이후에 잔류하는 내부응력의 경향을 감소시킬 수 있도록 용융 깊이를 깊게 설정할 수 있는 레이저 용접에 의하여 용접한다. 그러므로, 상기 전극칩 및 상기 중간부재를 용접하기 위한 이러한 레이저 용접에 의하여, 그들의 각각의 구성물질(성분)이 함께 혼합되는 용융부가 상기 전극칩 및 상기 중간부재 사이에 형성된다.
특허문헌 1 : 일본국 특허공개 평11-204233호 공보
그러나, 엔진의 연소에 의한 열부하가 가해질 때 각각의 상기 방전부 및 상기 받침대부가 확대 및 변형되더라도, 상기 용융부는 상기 방전부 및 상기 받침대부 사이에 형성되는 상기 용융부의 위치 및 형상과 같은 구조적 특징에 따라 상기 방전부 및 상기 받침대부의 변형을 제한 및 억제할 수 있는 구조를 가질 수 있다. 특히, 상기 용융부가 상기 방전부의 측표면 및 상기 받침대부의 돌출 상단측 일표면을 통합하도록 형성되면, 상기 용융부의 구조는 상기 방전부가 상기 접지전극으로부터 돌출되는 돌출방향에 대하여 수직인 내향 방사방향으로 상기 용융부가 상기 방전부를 지지하는 상태로 된다. 상기 용융부 및 상기 받침대부 사이의 계면에서도 같은 상태가 발생된다. 상기 용융부가 상기 방전부 및 상기 받침대부의 방사방향(특히, 외향) 열팽창으로 인한 연장을 제한 및 억제하고 각 계면에서 내부응력이 증가할 때에도, 여전히 크랙 또는 분리가 발생할 우려가 있다.
본 발명은 위의 문제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 접지전극으로부터 돌출되는 점화부를 형성하는 상기 방전부와 상기 받침대부 사이의 접합부에 형성되는 상기 용융부의 구조적 특징을 결정함으로써 크랙 및 분리의 발생을 억제할 수 있는 스파크 플러그를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 구성 1의 스파크 플러그는: 중심전극; 축방향을 따라 연장되는 축홀을 가지며 상기 축홀의 내측에 상기 중심전극을 지지하는 세라믹 절연체; 상기 세라믹 절연체를 지지하며 상기 세라믹 절연체의 둘레를 에워싸는 금속쉘; 일단부는 상기 금속쉘에 고정되게 접속되며 타단부는 만곡되어 상기 타단부의 일측표면이 상기 중심전극의 상단부에 대향되도록 된 접지전극; 및 상기 접지전극의 타단부의 일측표면 상에서 상기 중심전극의 상단부에 대향되는 위치에 마련되며, 상기 일측표면으로부터 상기 중심전극을 향하여 돌출되는 점화부로 이루어지며, 그리고 상기 점화부는 다음의 특징을 갖는다. 상기 점화부는 상기 일측표면으로부터 상기 중심전극을 향하여 돌출되는 받침대부; 레이저 용접에 의하여 상기 받침대부의 돌출상단에 결합되며 상기 중심전극의 상단부와의 사이에 스파크 방전갭을 형성하는 방전부; 및 상기 받침대부와 상기 방전부 사이에 개재되고, 레이저 용접에 의하여 함께 용융 및 혼합되는 상기 받침대부 및 상기 방전부 모두의 구성물질로 형성되는 용융부를 가지며, 상기 점화부가 상기 접지전극의 일측표면으로부터 돌출되는 방향에서 상기 점화부의 중심축을 포함하는 상기 점화부의 임의의 단면을 볼 때, 상기 용융부는 상기 점화부의 측표면으로부터 상기 중심축을 향하여 연장되도록 형성되고, 상기 점화부의 임의의 단면의 윤곽선을 볼 때, 상기 용융부는 상기 받침대부의 측표면과 상기 방전부의 측표면을 연결하는 구조를 갖는다. 또한, 상기 점화부의 임의의 단면에서, (X1)는 상기 점화부의 측표면들 중 하나에서 상기 받침대부와 상기 용융부 사이의 경계위치에 위치되며, (X2)는 상기 점화부의 측표면들 중 하나에서 상기 방전부와 상기 용융부 사이의 경계위치에 위치되어, 상기 임의의 단면에서 상기 경계 위치(X1) 및 (X2)를 연결하는 직선의 거리가 최대로 되는 제 1 단면을 볼 때, 외경(S)과 연장길이(T) 사이의 관계는 (T/S)≥0.5를 만족하며, 여기에서, 상기 방전부와 상기 용융부 사이의 경계 위치(X2)에 기초하여, (S)는 중심축에 직각인 방사방향에서 상기 방전부의 외경이고, (T)는 방사상 내향방향에서 상기 용융부의 연장길이이며, 그리고 상기 경계 위치(X1) 및 (X2)을 통과하는 가상선과 상기 중심축 사이에 형성되는 외각(θ)은 135°≤θ≤175°를 만족하고,
상기 방전부 구성물질의 선팽창 계수와 상기 받침대부 구성물질의 선팽창 계수 사이의 차이는 8.1×10-6[1/K] 이하임을 특징으로 한다.
이 스파크 플러그에서, 상기 중심축을 중심으로 하는 다양한 방향에서 그의 전체 둘레에 걸쳐 상기 점화부의 모든 임의의 단면들의 절반 이상에서, 상기 외경(S)과 상기 연장길이(T) 사이의 각각의 관계는 T/S≥0.5를 만족하며, 각각의 외각(θ)은 135°≤θ≤175°를 만족한다.
삭제
이 스파크 플러그에서, 상기 받침대부의 측표면 및 상기 받침대부가 제공되는 상기 접지전극의 일측표면은 상기 점화부의 중심축을 포함하는 하나의 단면에서 내측으로 만곡한 오목한 형상을 갖는 제 1 연결부를 통하여 접속된다.
이 스파크 플러그에서, 상기 받침대부는, 상기 접지전극측의 일측표면 상에서, 상기 받침대부의 외경을 확대함으로써 형성되는 플랜지부를 가지며, 이 경우에, 상기 받침대부의 플랜지부의 일표면으로서 상기 돌출상단에 대향되는 일표면 및, 상기 받침대부의 측표면으로서, 상기 플랜지부에 대하여 돌출 상단측에 위치되는 측표면은 상기 점화부의 중심축을 포함하는 하나의 단면에서 내측으로 만곡한 오목한 형상을 갖는 제 2 연결부를 통하여 접속된다.
이 스파크 플러그에서, 상기 점화부의 방전부는 Pt, Ir, Rh 및 Ru 중 어느 하나의 귀금속으로 형성되거나, 또는 이들 귀금속 중 적어도 하나 이상의 귀금속을 포함하는 귀금속 합금으로 형성될 수 있다.
본 발명의 스파크 플러그에 있어서, 상기 용융부는 상기 점화부의 전체 둘레에 걸쳐 형성된다. 즉, 상기 방전부 및 상기 받침대부는, 상기 방전부와 상기 용융부, 그리고 상기 받침대부와 상기 용융부가 상기 점화부의 방사방향으로 층상(in strata)으로 배열되는 단면에서, 상기 용융부에 의하여 방사방향 내측으로 지지된다. 그러므로, 가열에 취해질 때, 상기 방전부 및 상기 받침대부가 방사방향으로 연장(변형)될 때, 이러한 연장은 방사상 외측을 향하여 확대됨에 대한 이들의 저항에 의하여 제한 또는 억제된다. 상기 저항에는 상기 점화부의 둘레방향으로 연속적으로 형성되는 환형 용융부가 기여한다. 여기에서, 상기 점화부 단면의 윤곽선 형상을 볼 때, 상기 용융부는 상기 받침대부의 측표면 및 상기 방전부의 측표면을 연결하는 구조를 갖는다. 이로 인하여, 상기 용융부가 상기 방전부의 측표면 및 상기 점화부의 방사방향을 따라 펼쳐지는 평면 (예를 들면, 상기 접지전극의 일측표면 또는 상기 받침대부의 상단 표면)을 연결하는 경우와 비교하여, 상기 방전부의 방사방향 외향방향 연장에 대한 제한을 상기 용융부에 의하여 줄이는 것이 가능하다.
더욱이, 본 발명의 스파크 플러그에 의하면, 상기 점화부의 제 1 단면에서, 상기 위치(X1) 및 (X2)을 통과하는 가상선과 상기 점화부의 중심축 사이에 형성되는 외각(θ)은 정의된 바와 같이 135°≤θ≤175°를 만족한다. 상기 외각(θ)이 180° 미만인 경우, 상기 용융부의 형상은 상기 위치(X2)로부터 상기 위치(X1)를 향하여 상기 용융부가 확대되도록 역으로 테이퍼지며, 상기 위치(X2)에서, 상기 용융부는 상기 용융부가, 방사방향 내측으로, 상기 방전부를 지지하는 상태로 된다. 그리고, 상기 외각(θ)이 더욱 작아지면, 상기 역 테이퍼 형상의 확대 또는 확산 정도가 커질수록, 상기 방사방향 외향방향에서 가압력에 대한 상기 용융부 자체의 구조적 저항이 더욱 높아지게 된다. 이로 인하여, 상기 방전부에 열이 가해지고 상기 방전부가 열팽창으로 인하여 변형될 때, 상기 방전부의 방사방향 외향방향의 변형은 상기 용융부에 의하여 억제되는 경향이 있다. 구체적인 일 예에서, 상기 외각(θ)이 135°보다 작아지면, 상기 방전부 및 상기 용융부 사이의 계면에서 내부응력이 증가되어, 크랙 또는 분리가 발생될 우려가 있게 된다. 한편, 상기 받침대부는 상기 방전부보다 큰 선팽창 계수를 갖는다. 상기 받침대부의 변형은 상기 변형이 열팽창으로 인하여 발생될 때 상기 방전부 비하여 더욱 크기 때문에, 상기 용융부에 의한 상기 받침대부의 변형에 대한 제한이 상기 방전부에 비하여 더욱 커지게 된다. 상기 외각(θ)이 180° 미만이며 상기 용융부의 형상이 상기 용융부가 상기 위치(X2)로부터 상기 위치(X1)를 향하여 확대되도록 역으로 테이퍼지는 형상인 경우에도, 상기 받침대부는 상기 용융부에 의한 상기 받침대부의 변형에 대한 제한에 약하다. 구체적인 일 예에서, 상기 외각(θ)이 175°보다 커지면, 상기 받침대부 및 상기 용융부 사이의 계면에서 내부응력이 증가되어, 크랙 또는 분리가 발생될 우려가 있게 된다.
여기에서, 상기 점화부는 상기 중심전극의 상단부에 대향되는 위치에 배열된다. 그러나, 상기 본 발명에 있어서 "대향되다"라는 표현은, 상기 상단부 및 상기 점화부의 대향 표면이 서로 정확히 평행하게 배열되는 상태를 의미하지는 않는다. 또한, 이는 상기 중심전극 및 상기 점화부 양자의 축이 서로 정확히 일치하게 배열되는 구성을 의미하지는 않는다. 즉, 본 발명의 스파크 플러그에 전력이 인가될 때 상기 스파크 방전갭(GAP)이 상기 중심전극의 상단부 및 상기 점화부 사이에 형성되는 한 상기 구성에는 제한이 없다.
또한, 본 발명의 스파크 플러그에 의하면, 상기 점화부의 임의의 단면에서, 상기 방전부의 외경(S)에 대한 상기 용융부의 형성깊이(T)의 비율(용융부 형성비율)은 (T/S)로 설정되며, 상기 용융부 형성비율(T/S)을 결정할 때, T/S ≥ 0.5가 만족된다. 상기 방전부 및 상기 받침대부 양자의 선팽창 계수들 사이의 중간 선팽창 계수를 갖는 상기 용융부를 이들 사이에 개재시키는 것은 상기 방전부 및 상기 받침대부 사이에 발생하는 열응력의 완화에 바람직하다. 상기 용융부의 연장길이(형성깊이)(T)는 상기 방사방향 내향방향에서 더욱 크기 때문에, 상기 방전부 및 상기 받침대부 사이에 개재(개입)되는 상기 용융부의 크기가 더욱 클수록, 이들 사이에 발생하는 열응력을 완화시킬 수 있다. 더욱 구체적으로 말하자면, 상기 (T/S)가 0.5 이상으로 되도록 상기 용융부를 형성할 때, 크랙 또는 분리의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.
또, 상기 용융부를 형성할 때, 예를 들어, 상기 점화부의 둘레 주위에 간헐적으로 스폿 용접을 수행하는 경우, 형성되는 용융부는 상기 점화부의 전체 둘레에 걸쳐 균일해지기 어렵다. 또한, 레이저빔의 조사 간격이 클수록, 상기 용융부의 형상 또는 크기가 단면에 따라 더욱 크게 달라진다. 이러한 경우, 상기 점화부의 임의의 단면이며 상기 중심축을 중심으로 상이한 원주방향 위치로부터 관찰된 단면인 다수개의 단면 중, 상기 정의를 만족하지 못하는 단면이 증가된다. 전체 둘레에 걸쳐 상기 점화부의 모든 임의의 단면 중 적어도 절반 이상이 상기 정의를 만족할 때에는, 상기 방전부, 상기 받침대부 및 상기 용융부 사이의 각 계면에서 내부응력이 부분적으로 증가되는 부분이 존재하더라도, 내부응력이 용이하게 분산되어, 크랙 또는 분리의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.
그리고, 상기 방전부 및 상기 받침대부에 열이 가해질 때 이들이 방사방향으로 연장(변형)되는 경우, 상기 방전부, 상기 받침대부 및 상기 용융부 사이의 각 계면에서 내부응력의 차이가 제한되고, 불균형인 내부응력을 억제할 수 있으므로, 상기 크랙 또는 분리의 발생을 보다 효과적으로 억제할 수 있다.
또, 상기 점화부는 상기 접지전극의 일측표면으로부터 돌출되도록 형성되므로, 뿌리부에 상기 제 1 연결부를 제공함으로써 상기 점화부의 뿌리부를 형성할 때에는, 상기 점화부에 엔진 구동으로 인한 진동 등이 가해지는 경우에도, 진동으로 인한 부하를 충분히 견딜 수 있는 구조를 얻을 수 있다.
더욱이, 상기 플랜지부가 상기 받침대부에 형성되는 경우, 상기 접지전극의 일측표면과 상기 받침대부의 접합에 안정성이 증가될 수 있다. 그러면, 상기 받침대부 몸체의 플랜지부 및 측표면 사이에 상기 제 2 연결부를 제공함으로써 상기 받침대부를 형성할 때, 상기 구성 4에서와 마찬가지로, 상기 점화부가 그의 뿌리부에 가해지는 진동과 같은 부하를 충분히 견딜 수 있는 구조를 얻을 수 있고, 이는 바람직하다.
더욱이, 상기 중심전극 및 상기 방전부 사이에 스파크 방전갭을 형성하는 상기 방전부를 귀금속 또는 귀금속 합금을 사용하여 형성하는 것은 산화에 대한 저항 및 방전가공에 대한 저항을 얻기에 바람직하다.
도 1은 스파크 플러그(100)의 부분적인 단면도이다.
도 2는 스파크 방전갭(GAP) 주위를 확대한 부분적인 단면도이다.
도 3은 점화부(80)의 제 1 단면을 나타내는 도면이다.
도 4는 수정예로서의 점화부(180)를 나타내는 도면이다.
도 5는 수정예로서의 점화부(280)를 나타내는 도면이다.
도 6은 산화물 스케일 결정방법을 설명하기 위한 일 예로서 점화부(380)를 나타내는 단면도이다.
다음의 설명에서는 본 발명의 스파크 플러그의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다. 우선, 도 1 및 도 2를 참조하여 일 예로서의 스파크 플러그(100)의 구조를 설명한다. 도 1은 스파크 플러그(100)의 부분적인 단면도이다. 도 2는 스파크 방전갭(GAP) 주위를 확대한 부분적인 단면도이다. 이 때, 설명 중, 도 1 및 도 2에서, 스파크 플러그(100)의 축(O)방향은 상-하 방향을 정의하며, 도면의 하측은 상기 스파크 플러그(100)의 상단측을 칭하고, 도면의 상측은 상기 스파크 플러그(100)의 후단측을 칭한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 스파크 플러그(100)는 상단측에서 중심전극(20)이 세라믹 절연체(10)의 축홀(12) 내부에 지지되고, 금속단자(40)가 후단측에 제공되며, 상기 세라믹 절연체(10)가 금속쉘(주요 금속)(50)로 커버됨으로써 안착되는 구조를 갖는다. 또한, 접지전극(30)이 상기 금속쉘(50)에 접속되며, 그의 타단부(상단부(31))측이 상기 중심전극(20)의 상단부(22)에 대향되도록 만곡된다.
우선, 이러한 스파크 플러그(100)의 세라믹 절연체(10)를 설명한다. 상기 세라믹 절연체(10)는 소결 알루미나와 같은 소결 세라믹재로 형성되며, 실질적으로 원통형 형상으로 형성되고, 상기 원통형 형상의 축 중심에 상기 축(O)방향으로 연장되는 축홀(12)이 마련된다. 상기 축(O)방향으로 실질적인 중심에는 가장 큰 외경을 갖는 테두리부(19)가 형성되며, 상기 테두리부(19) 후단측(즉, 도 1에서의 상측)에는 후단측 몸체(18)가 형성된다. 또한, 상기 테두리부(19) 후단측(즉, 도 1에서의 하측)에는 상기 후단측 몸체(18)보다 작은 외경을 갖는 상단측 몸체(17)가 형성된다. 또한, 상기 상단측 몸체(17)보다 작은 외경을 갖는 다리부(13)가 상기 상단측 몸체(17)의 상단측에 형성된다. 상기 다리부(13)는 그의 상부가 테이퍼지며, 내연엔진의 엔진 실린더 헤드(도시생략)에 상기 스파크 플러그(100)를 장착할 때 연소실에 노출된다. 상기 다리부(13)와 상기 상단측 몸체(17) 사이에는 단차부(15)가 형성된다.
다음으로, 상기 중심전극(20)을 설명한다. 상기 중심전극(20)은 로드형상 전극이며, 인코넬(Inconel) 600 또는 601(상표)과 같은 Ni계 합금으로 형성되는 몸체물질(24) 및 상기 몸체물질(24)보다 높은 열전도율을 가지며 상기 몸체물질(24) 내에 매설되는 Cu 또는 Cu계 합금으로 형성되는 코어재(25)를 갖는다. 상기 중심전극(20)은 상기 세라믹 절연체(10)의 축홀(12) 상단측에 지지되며, 그의 상단부(22)는 상기 세라믹 절연체(10)의 상단으로부터 상기 상단측을 향하여 돌출된다. 상기 중심전극(20)의 상단부(22)는 그의 직경이 상기 상단측을 향하여 더욱 작아지도록 형성된다. 또한, 상기 상단부(22)의 상단 표면에는, 방전가공에 대한 저항을 강화하기 위하여, 귀금속으로 형성되는 전극칩(90)이 결합된다.
상기 중심전극(20)은 상기 세라믹 절연체(10)의 축홀(12) 내에서 후단측을 향하여 연장되며, 모두 상기 축(O) 방향을 따라 연장되는 도전성 밀봉부재(4) 및 세라믹 저항(3)을 통하여 상기 후단측(즉, 도 1에서 상측)에 제공되는 상기 금속단자(40)에 전기적으로 접속된다. 또한, 상기 금속단자(40)에는 플러그캡(도시생략)을 통하여 고압케이블(도시생략)이 접속되며, 고전압이 인가된다.
다음으로, 상기 금속쉘(50)을 설명한다. 상기 금속쉘(50)은 내연엔진의 엔진 실린더 헤드(도시생략)에 상기 스파크 플러그(100)를 고정하기 위한 실질적으로 원통형인 쉘이다. 상기 금속쉘(50)은 상기 후단측 몸체(18) 부분으로부터 상기 세라믹 절연체(10)의 다리부(13)까지의 단면을 커버하고, 그 내부에 상기 세라믹 절연체(10)를 지지한다. 상기 금속쉘(50)은 저탄소강으로 형성되며, 스파크 플러그 렌치(도시생략)가 끼워맞춤되는 도구결합부(51) 및 상기 엔진 실린더 헤드의 플러그홀(도시생략) 내로 나사결합되는 나사산을 갖는 플러그 부착부(52)가 제공된다.
더욱이, 상기 금속쉘(50)의 도구결합부(51) 및 상기 플러그 부착부(52) 사이에는 테두리형상 밀봉부(54)가 제공된다. 또한, 플레이트재를 구부림으로써 형성되는 링형상 개스킷(5)이 상기 밀봉부(54) 및 상기 플러그 부착부(52) 사이의 나사목부에 끼워맞춤된다. 상기 스파크 플러그(100)를 상기 엔진 실린더 헤드의 플러그홀에 장착함에 따라 상기 밀봉부(54)의 착좌표면과 상기 플러그홀의 개구 가장자리 사이에서 상기 개스킷(5)이 가압 및 파손되어 변형되고, 이에 상기 플러그홀을 통한 엔진가스의 누출을 방지하기 위하여 상기 개구 가장자리를 밀봉하는 역할을 한다.
상기 금속쉘(50)에는 또한 상기 도구결합부(51)의 후단측에 박형 스웨이지부(53)가 제공된다. 더욱이, 상기 밀봉부(54) 및 상기 도구결합부(51) 사이에는 박형 버클부(58)가 제공된다. 상기 도구결합부(51)로부터 상기 스웨이지부(53)까지의 상기 금속쉘(50)의 내주 표면과 상기 세라믹 절연체(10)의 후단측 몸체(18)의 외주 표면 사이에는, 환형 링부재(6,7)가 개재된다. 이들 환형 링부재(6,7) 사이에는 활석분말(활석)(9)이 충전된다. 상기 스웨이지부(53)는 스웨이징에 의하여 구부러지고, 상기 세라믹 절연체(10)는 상기 금속쉘(50) 내측에서 상기 환형 링부재(6,7), 그리고 상기 활석(9)을 통하여 상기 상단측을 향하여 가압된다. 상기 금속쉘(50) 및 상기 세라믹 절연체(10)는, 그러므로, 상기 금속쉘(50)의 내주 표면 상에서 상기 플러그 부착부(52)의 위치에 형성되는 단차부(56) 상에 링형상 플레이트 패킹(8)을 통하여 지지되는 상기 세라믹 절연체(10)의 단차부(15)에 의하여, 서로 고정되게 접속된다. 상기 플레이트 패킹(8)을 통하여 이렇게 밀봉되어 단단히 밀폐되는 상기 금속쉘(50) 및 상기 세라믹 절연체(10) 사이의 접촉에 의하여, 연소 가스누출이 방지가능하다. 상기 버클부(58)는 상기 스웨이징 동안 압축력을 인가함으로써 구부러져 외향으로 변형되도록 형성되므로, 상기 축(O)방향으로 상기 활석(9)의 압축 길이가 증가되어 상기 금속쉘(50)의 기밀성이 개선된다.
다음으로, 상기 접지전극(30)를 설명한다. 상기 접지전극(30)은 직사각형 단면을 갖는 로드형상 전극이다. 상기 접지전극(30)의 일단부{베이스단부(32)}는 상기 금속쉘(50)의 상단 표면(57)에 고정되게 접속된다. 상기 접지전극(30)은 상기 축(O) 방향으로 연장되어, 상기 접지전극(30)의 타단부{상기 상단부(31)}의 일측표면{내표면(33)}이 상기 중심전극(20)의 상단부(22)에 대향되도록 만곡된다. 상기 접지전극(30)은 상기 중심전극(20)과 마찬가지로, 인코넬 600 또는 601(상표)과 같은 Ni계 합금으로 형성된다.
이러한 접지전극의 상단부(31)에는 상기 내표면(33)으로부터 상기 중심전극(20)의 상단부(22)를 향하여 돌출되는 점화부(80)가 제공된다. 상기 점화부(80)는 상기 중심전극(20)의 상단부(22)(더욱 구체적으로 말하자면, 상기 상단부(22)에 결합된 상기 전극칩(90))에 대향되는 위치에 형성되며, 상기 점화부(80) 및 상기 상단부(22){상기 전극칩(90)} 양자의 사이에 상기 스파크 방전갭(GAP)이 형성된다. 여기에서, 상기 점화부(80) 및 상기 중심전극(20) 상단부(22)의 대향 위치의 관계에 있어서, 상기 점화부(80) 및 상기 전극칩(90)의 대향 표면은 이들 양 부분 사이에 상기 스파크 방전갭(GAP)이 형성되는 한, 정확하게 대향되도록 위치될 필요는 없다. 그러므로, 상기 스파크 플러그(100)의 축(O) 및 상기 점화부(80)의 중심축(P)(도 2 참조)은 정확히 서로 동일하게 될 필요는 없다. 여기에서, 상기 점화부(80)의 중심축(P)은 상기 점화부(80)의 돌출방향{즉, 상기 점화부(80)가 상기 접지전극(30)의 내표면(33)으로부터 상기 중심전극(20)을 향하여 돌출되는 방향}에 대하여 수직인 상기 점화부(80)의 단면의 중심을 통과하며 상기 돌출방향에 평행인 직선 또는 그의 근사직선이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 점화부(80)는 상기 접지전극(30)의 내표면(33) 상에 형성되는 받침대부(84) 및 상기 받침대부(84)에 결합되는 방전부(81)를 갖는다. 상기 받침대부(84)는 상기 접지전극(30)의 내표면(33) 상에서 상기 중심전극(20)의 상단부(22)에 대향되는 위치에서 상기 내표면(33)의 일부분이 상기 상단부(22)를 향하여 돌출한다는 사실에 의하여 형성되는 컬럼형상부이다. 받침대부(84)의 측표면(85) 및 상기 내표면(33) 사이의 경계부분에는 내측으로 만곡되는 오목한 형상의 단면을 갖는 연결부(제 1 연결부)(89)가 제공된다. 상기 측표면(85) 및 상기 내표면(33)은 이러한 연결부(89)를 통하여 접속된다.
상기 방전부(81) 또한 컬럼형상이다. 상기 방전부(81)는 상기 받침대부(84)의 돌출상단(86)에 설정된 상기 방전부(81)에 레이저 용접을 수행함으로써 상기 받침대부(84)에 고정되게 접속된다. 상기 방전부(81)는 Pt 합금을 이용하여 형성되며, 산화에 대한 우수한 저항 및 방전가공에 대한 우수한 저항을 갖는다. 상기 방전부(81)의 구성물질로서는, 상기 Pt 합금뿐만 아니라 Pt, Ir, Rh 및 Ru 중 어느 하나의 귀금속 또한 사용된다. 또는, 이들 귀금속 중 적어도 하나 이상 귀금속을 포함하는 귀금속 합금을 사용할 수도 있다. 그러므로, 상기 방전부(81) 및 상기 받침대부(84) 사이의 결합부에는 상기 방전부(81) 및 상기 받침대부(84) 양자의 구성물질(성분)이 서로 용융되거나 조합되어 함께 혼합되는 용융부(83)가 형성된다.
이러한 본 실시예의 구조 또는 특징을 갖는 스파크 플러그(100)에서, 상기 점화부(80)를 형성하는 상기 방전부(81) 및 상기 받침대부(84) 사이의 접합은 상술한 바와 같이 레이저 용접에 의하여 형성된다. 더욱 구체적으로 말하자면, 상기 점화부(80)는 다음과 같이 형성된다. 상기 내표면(33)으로부터 돌출되는 상기 받침대부(84)는, 예를 들면, 상기 접지전극(30)의 프레싱 및 절삭작업을 통하여 형성한다. 또한, 상기 귀금속 또는 상기 귀금속 합금을 사용하여 상기 컬럼형 방전부(81)를 형성하고, 상기 받침대부(84)의 돌출상단(86) 상에 양 축방향이 서로 일치하게 되도록 위치시키거나 또는 포개어 놓는다. 상기 받침대부(84)의 직경은 상기 방전부(81)의 그것보다 다소 크게 설정한다. 그러므로, 용접 이전의 상태에서, 상기 받침대부(84) 상에 상기 방전부(81)를 위치시킬 때, 상기 받침대부(84)의 돌출상단(86)의 일부분(테두리 또는 테 또는 가장자리부)이 상기 방전부(81)에 대하여 외향방향으로 돌출된다. 이 상태에서, 방전부(81)의 측표면(82) 및 상기 받침대부(84)의 측표면(85)으로부터{즉, 상기 점화부(80)의 완성 이후 상기 점화부(80)의 측표면(87)으로부터} 상기 중심축(P)을 향하여 레이저빔을 조사하여, 상기 방전부(81) 및 상기 받침대부(84) 사이의 접합 또는 결합 표면으로 레이저빔을 겨냥한다. 이러한 레이저빔 조사로써, 상기 방전부(81) 및 상기 받침대부(84) 양자의 구성물질이 서로 용융되거나 조합되고 함께 혼합되는 상기 용융부(83)가 상기 방전부(81) 및 상기 받침대부(84) 사이에 형성된다. 이때에, 상기 방전부(81)로부터 돌출되는 상기 돌출상단(86)의 가장자리부가 용융되고, 용융부(83)의 노출 표면(88)을 통하여 상기 방전부(81)의 측표면(82) 및 상기 받침대부(84)의 측표면(85)이 서로 접속되거나 결합된다. 상기 레이저 용접은 상기 점화부(80) 둘레에서 상기 중심축(P)의 둘레방향으로 수행되며, 상기 방전부(81) 및 상기 받침대부(84)는 상기 용융부(83)를 통하여 서로 접속되거나 결합된다. 상기 레이저빔의 조사는 연속적으로 또는 간헐적으로 수행할 수 있다. 간헐적으로 레이저빔 조사를 수행하는 경우에는, 하나의 레이저빔의 조사 위치가 인접한 조사 위치에 중첩되게 하여, 상기 방전부(81) 및 상기 받침대부(84) 사이의 결합 표면의 위치가, 상기 점화부(80)의 외주측으로부터 볼 때, 상기 용융부(83)가 되도록 하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서, 상기 점화부(80)의 중심축(P)을 포함하는 임의의 단면을 볼 때, 이러한 방식으로 형성되는 상기 용융부(83)는 그의 구성 및 특징이 다음과 같이 결정된다. 우선, 상기 용융부(83)는 상기 방전부(81) 및 상기 받침대부(84) 사이의 점화부(80)에서 상기 중심축(P)의 대향측에 위치되는 양 측표면(87)으로부터 상기 중심축(P)을 향하여 연장되도록 형성된다. 또한, 상기 단면에서 상기 점화부(80)의 윤곽선 형상을 볼 때{즉, 상기 점화부(80)의 노출 표면(88)의 단면 형상을 볼 때}, 상기 용융부(83)는 상기 방전부(81)의 측표면(82) 및 상기 받침대부(84)의 측표면(85)을 연결하는 특징을 갖는다. 따라서 상기 용융부(83)의 노출 표면(88)은 상기 접지전극(30)의 내표면(33)에 접속되거나 결합되지 않는다.
더욱이, 상기 점화부(80)의 임의의 단면의 윤곽선 형상에서, 상기 받침대부(84) 및 상기 용융부(83) 사이의 경계 위치{상기 단면에서 상기 측표면(85) 및 상기 노출 표면(88) 사이의 경계 위치}는 상기 점화부(80)의 일측표면측에서 (X1)로 설정된다. 마찬가지로, 상기 방전부(81) 및 상기 용융부(83) 사이의 경계 위치{상기 단면에서 상기 측표면(82) 및 상기 노출 표면(88) 사이의 경계 위치}는 상기 점화부(80)의 일측표면측에서 (X2)로 설정된다. 다음으로, 상기 위치(X1) 및 상기 위치(X2)는 직선에 의하여 결합되며, 상기 위치(X1) 및 상기 위치(X2)의 직선 거리가 최대로 되는 단면이 이와 같은 임의의 단면이 되기 쉬운 다수의 단면들 중에서 선택되고, 이렇게 선택된 단면이 상기 점화부(80)의 제 1 단면으로 설정된다. 도 3은 이러한 제 1 단면을 도시한다. 상기 제 1 단면에서, 상기 위치(X1) 및 상기 위치(X2)를 통과하는 가상선(Q)을 설정하고, 상기 가상선(Q) 및 상기 중심축(P)이 교차되는 지점(C)에서 상기 가상선(Q) 및 상기 점화부(80)의 중심축(P) 사이의 외각(θ)을 결정한다. 본 실시예에는 135°≤θ≤175°를 만족하는 외각(θ)이 제공된다.
Pt 합금으로 형성되는 상기 방전부(81)의 선팽창 계수는 Ni 합금으로 형성되는 상기 접지전극(30) 및 상기 받침대부(84)의 그것보다 작다. 상기 방전부(81) 및 상기 받침대부(84) 양자의 구성물질이 서로 용융되거나 조합되고 함께 혼합되는 상기 용융부(83)의 선팽창 계수는 상기 방전부(81) 및 상기 받침대부(84) 양자의 선팽창 계수 사이의 중간 선팽창 계수를 취한다. 상기 점화부(80)에 엔진 구동으로 인한 열이 가해지는 경우, 상기 용융부(83)를 포함하는 상기 방전부(81) 및 상기 받침대부(84)에 변형이 발생되어, 이들 부분이 연장된다. 상기 중심축(P) 방향에 있어서, 상기 방전부(81), 상기 용융부(83) 및 상기 받침대부(84)는 층상으로 배열되며{상기 방전부(81), 상기 용융부(83) 및 상기 받침대부(84)는 층상 배열을 갖는다}, 상기 방전부(81)는 상기 스파크 방전갭(GAP)에 대향되므로, 상기 방전부(81), 상기 용융부(83) 및 상기 받침대부(84)가 상기 중심축(P) 방향으로 연장(변형)될 때, 이러한 연장에 가해지는 제한이 덜하다. 한편, 상기 용융부(83)는 상기 점화부(80)의 측표면(87) 둘레에 걸쳐 방사방향 내측으로 형성되므로, 상기 방전부(81) 및 상기 용융부(83), 상기 받침대부(84) 및 상기 용융부(83)가 상기 중심축(P)의 방사방향으로 층상으로 배열되는 단면에서, 상기 방전부(81) 및 상기 받침대부(84)는 상기 용융부(83)에 의하여 방사방향 내측으로 지지된다. 이로 인하여, 상기 방전부(81) 및 상기 받침대부(84)가 방사방향으로 연장(변형)될 때, 이러한 연장은 상기 용융부(83)에 의하여 제한 또는 억제된다.
상기 용융부(83)의 노출 표면(88)의 단면 형상에 있어서, 상기 위치(X1) 및 상기 위치(X2)를 연결하는 방향{상기 가상선(Q)이 연장되는 연장방향}에 주의를 기울일 때, 상기 위치(X2)에서, 상기 외각(θ)이 작을수록, 상기 연장방향 성분의 방사방향 내향방향 성분은 더욱 크다. 상기 용융부(83)가 역으로 테이퍼진 형상을 가질 때, 상기 용융부(83)는 상기 용융부(83)가 상기 받침대부(84)보다 작은 직경을 갖는 상기 방전부(81)를 방사방향 내측으로 지지하는 상태로 된다. 그리고, 역으로 테이퍼진 형상의 폭 확대 또는 확산 정도가 클수록, 방사방향 외향방향으로 가압력에 대한 상기 용융부(83) 자체의 구조로 인한 저항이 더욱 높다. 이로 인하여, 상기 방전부(81)에 열팽창으로 인한 열 및 변형이 가해질 때, 상기 방전부(81)의 방사방향 외향방향의 변형은 상술한 바와 같이 상기 용융부(83)에 의하여 억제되는 경향이 있다. 이러한 이유로, 상기 방전부(81) 및 상기 용융부(83) 사이의 계면에서 내부응력이 증가된다. 후술되는 실시예 1에 의하면, 상기 외각(θ)이 135°보다 작게 될 때, 크랙 또는 분리가 나타날 우려가 있다.
한편, 상기 받침대부(84)의 선팽창 계수는 상기 방전부(81)의 그것보다 크다. 열팽창으로 인하여 변형이 발생될 때, 상기 받침대부(84)의 변형은 상기 방전부(81)의 그것보다 크다.
상기 용융부(83)의 노출 표면(88)의 단면 형상에 있어서, 상기 위치(X1) 및 상기 위치(X2)를 연결하는 방향{상기 가상선(Q)이 연장되는 방향}에 주의를 기울일 때, 상기 위치(X1)에서, 상기 외각(θ)이 클수록, 상기 연장방향 성분의 방사방향 외향방향 성분은 더욱 작다. 즉, 상기 위치(X1)에서, 상기 외각(θ)이 클수록, 상기 용융부(83)에 의한 상기 받침대부(84)의 변형에 대한 제한이 더 크다. 열팽창으로 인한 상기 받침대부(84)의 변형은 상기 방전부(81)에 비하여 더 크기 때문에, 상기 외각(θ)이 180°미만이더라도, 상기 받침대부(84)는 상기 용융부(83)에 의한 상기 받침대부(84)의 변형에 대한 제한에 민감하다. 이러한 이유로, 후술되는 실시예 1에 의하면, 상기 외각(θ)이 175°보다 크게 될 때, 상기 받침대부(84) 및 상기 용융부(83) 사이의 계면에서 내부응력이 증가되고, 크랙 또는 분리가 나타날 우려가 있다.
다음으로, 상기 점화부(80)의 위의 임의의 단면에서(편의상, 도 3에서 제 1 단면을 이용하여 설명함), 상기 점화부(80)의 중심축(P)의 방사방향으로 상기 방전부(81)의 외경은 (S)로 설정된다. 또한, 상기 방사방향 내향방향에서 상기 용융부(83)의 연장길이(형성깊이)는 상기 위치(X2)(상기 단면에서 상기 방전부(81)의 측표면(82) 및 상기 용융부(83)의 노출 표면(88) 사이의 경계위치)를 기준으로 (T)로 설정된다. 상술한 바와 같이, 상기 용융부(83)는 상기 점화부(80)의 측표면(87)으로부터 상기 중심축(P)을 향하여 형성되며, 그의 형성깊이가 상기 중심축(P)에 도달하지 않는 경우, 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 용융부(83)는 상기 점화부(80)의 단면에서 상기 중심축(P)에 대하여 2개의 좌우측부로 나뉜다. 그러므로, 상기 점화부(80)의 단면에서 방사방향 내향방향으로 상기 용융부(83)의 연장길이(T)는 상기 중심축(P)을 중심으로 좌측에서 방사방향 내향방향의 연장길이(T1) 및 상기 중심축(P)을 중심으로 우측에서 방사방향 내향방향의 연장길이(T2)의 총 길이로서 정의된다. 그러므로, 상기 방전부(81)의 외경(S)에 대한 상기 용융부(83)의 형성깊이(T)의 비율(용융부 형성비율)은 (T/S)로 설정된다. 상기 용융부 형성비율(T/S)을 결정할 때, 본 실시예는 T/S ≥ 0.5가 만족된다.
상기 방전부(81) 및 상기 받침대부(84) 양자의 선팽창 계수 사이의 중간 선팽창 계수를 갖는 상기 용융부(83)를 이들 사이에 개재시킴은 상기 방전부(81) 및 상기 받침대부(84) 사이에 발생되는 열응력의 완화를 위하여 바람직하다. 상기 위치(X2)로부터 상기 점화부(80)의 방사방향 내향방향으로 상기 용융부(83)의 연장길이(T)가 클수록, 상기 방전부(81) 및 상기 받침대부(84) 사이에 개재(개입)되는 상기 용융부(83)의 크기가 커진다. 이에, 상기 방전부(81) 및 상기 받침대부(84) 사이에 발생하는 열응력이 완화될 수 있고, 크랙 또는 분리의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다. 후술되는 실시예 2에 의하면, 다음의 경향이 나타났다; (T/S)가 작을수록, 상기 점화부(80)의 단면에서 상기 방전부(81), 상기 받침대부(84) 및 상기 용융부(83) 사이의 각 계면에 발생하는 크랙의 크기의 비율(산화물 스케일)이 크다. 그러므로, (T/S)가 0.5 이상으로 되도록 상기 용융부(83)를 형성할 때, 상기 산화물 스케일이 50% 미만으로 제한될 수 있음이 확인되었다.
위의 규정 또는 정의(또는 조건), 즉, 135°≤θ≤175° 및 T/S≥0.5에 있어서, 상기 점화부(80)의 임의의 단면이며 상기 중심축(P)을 중심으로 상이한 원주방향 위치로부터 관찰된 단면인 전체 둘레에 걸친 모든 단면 중 절반 이상이 이 정의를 만족하는 것이 바람직하다. 상기 용융부(83)를 형성할 때, 상기 점화부(80)의 원주 둘레에 간헐적으로, 예를 들면, 스폿용접을 수행하는 경우, 형성되는 상기 용융부(83)의 형상은 상기 점화부(80)의 전체 둘레에 걸쳐 균일하게 되기 어렵다. 또한, 레이저빔의 조사 간격이 클수록, 상기 단면에 따라 상기 용융부(83)의 형상 또는 크기가 훨씬 크게 달라진다. 이러한 경우에, 상기 점화부(80)의 임의의 단면이며 상기 중심축(P)을 중심으로 상이한 원주방향 위치로부터 관찰되는 다수의 단면 중 상기 정의를 만족하지 못하는 단면이 증가된다. 상기 전체 둘레에 걸친 상기 점화부의 모든 임의의 단면 중 적어도 절반 이상이 이 정의를 만족할 때에는, 상기 방전부(81), 상기 받침대부(84) 및 상기 용융부(83) 사이의 각 계면에서 내부응력이 부분적으로 증가하는 부분이 존재하더라도, 상기 내부응력이 쉽게 분산되고 상기 크랙 또는 분리의 발생을 억제하는 효과를 얻게 된다.
여기에서, 후술되는 실시예 1의 결과에 의하면, 상기 방전부(81) 구성물질의 선팽창 계수 및 상기 받침대부(84) 구성물질의 선팽창 계수 사이의 차이가 8.1 × 10-6 [1/K] 이하로 되도록 상기 방전부(81) 및 상기 받침대부(84)의 구성물질을 결정 또는 선택하는 것이 바람직하다. 이러한 설정으로써, 열이 가해짐에 따라 상기 방전부(81) 및 상기 받침대부(84)가 방사방향으로 연장(변형)될 때, 상기 방전부(81), 상기 받침대부(84) 및 상기 용융부(83) 사이의 각 계면에 발생하는 내부응력의 차이가 제한되고, 불균형한 내부응력이 억제될 수 있으므로, 크랙 또는 분리의 발생을 보다 효과적으로 억제하게 된다.
더욱이, 본 실시예에서는, 위에서 설명한 바와 같이, 상기 받침대부(84)의 측표면(85) 및 상기 접지전극(30)의 내표면(33)이 상기 연결부(89)를 통하여 접속된다. 상기 점화부(80)는 상기 접지전극(30)의 내표면(33)으로부터 돌출되도록 형성되므로, 예를 들면, 엔진 구동으로 인하여 상기 점화부(80)에 진동 등이 가해지는 경우, 상기 진동에 의한 부하가 상기 점화부(80)의 뿌리부에 가해지는 경향이 있다. 여기에서, 상기 용융부(83)가 상기 방전부(81)의 측표면(82) 및 상기 접지전극(30)의 내표면(33)을 접속시키도록 형성되면, 상기 점화부(80)의 뿌리부의 두께가 증가되고 상기 용융부(83)는 상기 용융부(83)가 상기 점화부(80)를 지지하는 상태로 되므로, 상기 점화부(80)가 상기 뿌리부에 가해진 부하를 충분히 견딜 수 있는 구조를 얻을 수 있다. 그러나, 본 실시예에서는, 상기 용융부(83)와 상기 방전부(81) 사이와 또한 상기 용융부(83)와 상기 받침대부(84) 사이의 각 계면에 가해지는 내부응력의 영향을 감소시키기 위하여, 상기 용융부(83)의 노출 표면(88)이 상기 방전부(81)의 측표면(82) 및 상기 받침대부(84)의 측표면(85)을 접속시키는 구조를 이용한다. 이상으로부터 볼 때, 상기 점화부(80)가 상기 점화부(80)의 뿌리부에 가해지는 부하를 견딜 수 있는 구조를 갖게 하기 위해서는, 상술한 바와 같이, 상기 받침대부(84)의 측표면(85) 및 상기 접지전극(30)의 내표면(33) 사이에 상기 연결부(89)가 제공된다.
더욱이, 본 발명에서 각 구성에는 수정 및 변형이 가능함을 물론이다. 예를 들면, 상기 방전부(81) 및 상기 받침대부(84)가 레이저 용접에 의하여 결합되지만, 이들 부분은 전자빔 용접에 의하여 결합될 수도 있다. 또한, 레이저 용접에 있어서, 상기 방전부(81) 및 상기 받침대부(84) 사이의 접합 또는 결합 표면을 겨냥하는 레이저빔으로 상기 중심축(P)에 수직인 방향으로 레이저빔을 조사하는 방식에는 제한이 없다. 예를 들면, 상기 용융부(83)는 상기 방전부(81) 및 상기 받침대부(84) 사이의 접합 또는 결합 표면을 겨냥하는 레이저빔으로 상기 중심축(P)에 대하여 사선방향으로 레이저빔을 조사하는 방식으로도 형성할 수 있다.
더욱이, 도 4에 나타낸 바와 같이, 점화부(180)에서, 상기 방전부(81) 및 상기 받침대부(84) 사이에 형성되는 용융부(183)는, 그의 형성깊이가 상기 중심축(P)에 도달하고 상기 점화부(180)의 단면에서 상기 중심축(P)의 일측부 및 타측부가 서로 연속적으로 결합되는 구조를 가질 수도 있다.
더욱이, 도 5에 나타낸 점화부(280)의 구성을 이용할 수도 있다. 상기 점화부(280)에서는, 본 실시예에서와 마찬가지로, 받침대부(284) 및 접지전극(230)을 개별적으로 형성하고, 이들 받침대부(284) 및 접지전극(230)을, 예를 들면, 저항용접에 의하여 결합하며, 상기 받침대부(284) 및 방전부(281)의 레이저 용접을 수행함으로써 용융부(283)를 형성한다. 그러면, 상기 방전부(281) 및 상기 받침대부(284) 사이의 접합부에서 상술한 바의 정의가 만족된다. 상기 받침대부(284)에 있어서, 상기 받침대부(284)의 외경을 확대함으로써 형성되는 플랜지부(274)는, 접지전극(230) 측에서, 상기 받침대부(284)의 일단부에 형성될 수 있다. 이러한 플랜지부(274) 및 상기 접지전극(230)의 내표면(233)을 접속시킴으로써, 큰 접합 면적을 확보하고 보다 안정적인 접합 특성을 얻는 것이 가능하다. 또한, 연결부(제 1 연결부)(289)가, 위의 연결부(89)와 마찬가지로, 상기 플랜지부(274)의 측표면(275) 및 상기 접지전극(230)의 내표면(233) 사이에 제공되면, 상기 점화부(280)가 그 자체의 뿌리부에 가해지는 부하(진동 등)를 견딜 수 있는 구조를 얻을 수 있다. 더욱이, 상기 플랜지부(274)의 상단 표면(276){상기 점화부(280)의 돌출 상단측에 대향되는 일표면} 및 상기 받침대부(284)의 측표면(285) 사이에도, 내측으로 만곡하는 오목한 형상의 단면을 가지며 양 표면(276, 285)을 연결하는 연결부(제 2 연결부)(279)가 제공된다. 이러한 연결부(279)를 제공할 때, 상기 점화부(280)는 상기 받침대부(284) 및 상기 플랜지부(274) 사이의 경계 주위에 가해지는 부하를 견딜 수 있는 구조를 가지며, 이러한 구조는 바람직하다.
실시예 1
상기 스파크 플러그(100)의 접지전극(30)에 제공되는 상기 점화부(80)에 형성되는 상기 용융부(83)의 구성에 상기 정의를 제공함으로써 효과를 입증하기 위한 평가 테스트를 수행하였다. 우선, 상기 용융부(83) 노출 표면(88)의 경사각(상기 외각(θ)만큼의 경사)과 분리저항 사이의 관계 및 상기 점화부(80)를 형성하는 상기 방전부(81)와 상기 받침대부(84) 사이의 구성물질의 선팽창 계수의 차이와 분리저항 사이의 관계에 대한 평가를 수행하였다. 이러한 평가 테스트에서, 1000℃에서의 선팽창 계수로서 각각 8.3, 9.7, 10.4 및 13.4 (×10-6) [1/K]를 갖는, 귀금속 합금으로 형성되는 4가지 상이한 재료를 준비하여, 외경(S)을 0.7㎜로 설정한 방전부를 각 재료로 형성하였다. 또한, 1000℃에서의 선팽창 계수가 17.8×10-6[1/K]인 Ni 합금을 이용하여 접지전극을 형성하고, 상기 접지전극 내표면의 프레싱 작업을 통하여 받침대부를 형성하였다. 또한, 상기 방전부를 상기 받침대부 상에 위치시켜, 그의 원주 둘레에서 레이저 용접에 의하여 양 부분을 함께 결합하도록 양 부분 사이의 접합 또는 결합 표면을 향하여 양 부분의 측부로부터 레이저빔을 조사하였다. 그리하여, 상기 내표면 상에 상기 점화부가 형성되는 접지전극의 평가 표본(표본)을 제작하였다. 여기에서, 상기 레이저 용접에 있어서, 상기 레이저빔의 조사 위치, 조사 각도, 전력 및 조사 시간 등을 제어하여 상기 받침대부 및 상기 방전부 사이에 형성되는 용융부의 형성깊이(방사방향 내향방향의 연장길이(T))가 S/T = 1(즉, 상기 점화부의 단면에서 상기 중심축(P)에 대한 일측 용융부 및 타측 용융부가 서로 연속적으로 결합됨)을 만족하도록 하였고, 또한 상이한 외각(θ)을 형성하였다. 그리하여, 이러한 방식으로 제작한 각 표본에 대하여, 상기 위치(X1) 및 상기 위치(X2) 사이의 직선 거리가 최대로 되는 단면을 확인하여, 상기 가상선(Q) 및 상기 중심축(P) 사이에 형성되는 외각(θ)을 측정하였다.
다음으로, 각 표본에 대하여, 데스크톱(desktop) 상에서 가열/냉각 테스트를 수행하였다. 각 표본의 전체 점화부를 버너로 2분 동안 가열하여 도달 온도를 1100℃로 하였고, 상기 가열 이후 분위기 온도에서 냉각(천천히 냉각)하였다. 이러한 가열 및 냉각 공정을 1 사이클로 하여, 1000 사이클을 수행하였다. 이어서, 상기 중심축(P)을 통과하는 단면에서 각 표본의 점화부를 절단한 후 현미경을 이용하여 상기 용융부를 관찰하였다. 그리하여, 상기 용융부에 나타나는 크랙 또는 분리의 면적을 관찰하여, 그의 발현 위치를 2가지; 상기 방전부와 상기 용융부 사이의 경계 주위의 위치 및 상기 받침대부와 상기 용융부 사이의 경계 주위의 위치로 분류하였고, 크랙 또는 분리의 각각의 방사방향 길이를 더욱 측정하였다.
여기에서, 도 6에 나타낸 상기 표본의 점화부(380)를 일 예로서 설명한다. 상기 점화부(380)의 중심축(P)을 포함하는 단면에서, 방전부(381) 및 상기 용융부(383) 사이의 경계 위치(X2){측표면(382) 및 노출 표면(388) 사이의 경계위치}를 기준으로 하여, 상기 중심축(P)에 대한 방사방향 일측(도 6의 좌측)에서 상기 방사방향 내향방향으로 용융부(383)의 연장길이를 (T1)로 설정하고, 타측(도 6의 우측)에서 상기 방사방향 내향방향으로 용융부(383)의 연장길이를 (T2)로 설정한다. 또한, 상기 중심축(P)에 대하여 방사방향 일측에서 상기 방전부(381) 및 상기 용융부(383) 사이의 경계에 나타나는 크랙 또는 분리의 방사방향 연장길이를 (A1)로 설정하고, 타측에서의 크랙 또는 분리의 연장길이를 (A2)로 설정한다. 그리하여, 상기 방전부(381) 및 상기 용융부(383) 사이의 경계에 나타나는 크랙 또는 분리의 길이의 비율(산화물 스케일)을 다음의 식으로 결정한다.
{(A1+A2)/(T1+T2)}×100[%] … (1)
이어서, 마찬가지로, 받침대부(384) 및 상기 용융부(383) 사이의 경계 위치(X1){측표면(385) 및 상기 노출 표면(388) 사이의 경계위치}를 기준으로 하여, 상기 중심축(P)에 대한 방사방향 일측에서 상기 방사방향 내향방향으로 용융부(383)의 연장길이를 (U1)로 설정하고, 타측에서 상기 방사방향의 내향방향으로 용융부(383)의 연장길이를 (U2)로 설정한다. 또한, 상기 중심축(P)에 대하여 방사방향 일측에서 상기 받침대부(384) 및 상기 용융부(383) 사이의 경계에 나타나는 크랙 또는 분리의 방사방향 연장길이를 (B1)로 설정하고, 타측에서의 크랙 또는 분리의 연장길이를 (B2)로 설정한다. 그리하여, 상기 받침대부(384) 및 상기 용융부(383) 사이의 경계에 나타나는 크랙 또는 분리의 길이의 비율(산화물 스케일)을 다음의 식으로 결정한다.
{(B1+B2)/(U1+U2)}×100[%] … (2)
식(1)에 의하여 구한 상기 방전부(381) 및 상기 용융부(383) 사이의 경계에 나타나는 크랙 또는 분리의 길이의 비율, 및 식(2)에 의하여 구한 상기 받침대부(384) 및 상기 용융부(383) 사이의 경계에 나타나는 크랙 또는 분리의 길이의 비율을 비교한다. 그리고, 보다 큰 크랙 또는 분리의 길이의 비율을 상기 점화부의 산화물 스케일로서 사용한다.
상기 점화부의 산화물 스케일이 25 % 미만인 경우에는, 크랙 또는 분리가 나타나더라도, 이것이 문제가 되지 않는다고 판단하여, [◎]로 평가한다. 상기 산화물 스케일이 25% 이상이며 50% 미만인 경우에는, 그의 영향이 작다고 판단하여, [○]로 평가한다. 그러나, 상기 산화물 스케일이 50% 이상인 경우에는, 방전부가 떨어지거나 탈락될 우려가 있다고 판단하여, [×]로 평가한다. 표 1은 상기 가상선(Q) 및 상기 중심축(P) 사이에 형성되는 외각(θ), 및 상기 방전부와 상기 받침대부 사이의 구성물질의 선팽창 계수의 차이에 의한 분류에 의하여 이러한 평가 테스트 결과를 나타낸다.
선팽창 계수
×10-6[1/K]
 방전부 13.4 10.4 9.7 8.3
받침대부 17.8
차이 4.4 7.4 8.1 9.5





외각θ
[˚]




 123 ×
125 ×
128 ×
132 ×
134 × ×
135 ◎ ◎
142 ○
168 ◎
175 ◎ ○
178 × ×
183 ×
195 ×
210 ×
표 1에 나타낸 바와 같이, 상기 가상선(Q) 및 상기 중심축(P) 사이에 형성되는 외각(θ)이 135°미만인 표본은 50% 이상인 점화부의 산화물 스케일을 보인다. 또한, 외각(θ)이 175°를 초과하는 표본에 있어서, 이들 표본의 대부분은 50% 이상인 점화부의 산화물 스케일을 보이며, 이들 표본은 분리저항에 바람직하지 못하다는 것이 발견된다. 한편, 외각(θ)이 135°이상 및 175°이하인 표본에 있어서, 상기 점화부의 각각의 산화물 스케일은 50% 미만이고, 분리저항에 양호한 결과를 얻을 수 있다는 것이 확인된다.
더욱이, 외각(θ)이 135°이상 및 175°이하인 표본 중 상기 방전부 및 상기 받침대부 사이의 구성물질의 선팽창 계수의 차이가 8.1×10-6[1/K] 이하인 표본에 있어서, 상기 점화부의 산화물 스케일은 25% 미만이다. 그러므로, 상기 방전부 및 상기 받침대부 사이의 구성물질의 선팽창 계수의 차이를 8.1×10-6[1/K] 이하로 설정할 때, 분리저항에 대하여 더 나은 결과를 얻을 수 있음이 확인된다.
실시예 2
다음으로, 방사방향 내향방향으로 상기 용융부(83)의 연장길이(형성깊이) 및 상기 분리저항 사이의 관계에 대한 평가를 수행하였다. 이러한 평가 테스트에서, 1000℃에서의 선팽창 계수로서 10.4×10-6[1/K]를 갖는 Pt 합금으로 형성된 재료를 사용하여 0.7㎜ 및 1.2㎜로 설정되는 2개의 상이한 방전부를 형성하였다. 또한, 1000℃에서의 선팽창 계수가 17.8×10-6[1/K]로 설정되는 Ni 합금으로 접지전극을 형성하였고, 상기 접지전극 내표면의 프레싱 작업을 통하여 받침대부를 형성하였다. 또한, 상기 받침대부 상에 상기 방전부를 위치시키고, 그의 원주 둘레에서 레이저 용접에 의하여 양 부분을 함께 결합하도록 양 부분 사이의 접합 또는 결합 표면을 향하여 양 부분의 측부로부터 레이저빔을 조사하였다. 그리하여, 상기 내표면 상에 상기 점화부가 형성되는 접지전극의 평가 표본(표본)을 제작하였다. 여기에서, 상기 레이저 용접에 있어서, 상기 레이저빔의 전력(강도)을 제어하여 형성되는 상기 용융부의 형성깊이를 상이하게 하였다. 그리하여, 실시예 1에서와 마찬가지로, 상기 가상선(Q) 및 상기 중심축(P) 사이에 형성되는 외각(θ)을 측정하여, 135°≤θ≤175°를 만족하는 표본을 평가 대상으로서 추출하였다.
다음으로, 추출된 각 표본에 대하여, 실시예 1에서와 동일한 가열/냉각 테스트를 수행하였다. 이어서, 상기 중심축(P)을 통과하는 단면에서 각 표본의 점화부를 절단한 후 현미경을 이용하여 상기 용융부를 관찰하고, 상기 용융부의 형성깊이{방사방향 내향방향의 연장길이(T)}를 측정하여, 상기 용융부 형성비율(T/S)을 결정하였다. 또한, 각 표본에 대하여 상기 용융부에 나타나는 크랙 및 분리의 면적을 관찰하여 그의 발현 위치를 2가지; 상기 방전부와 상기 용융부 사이의 경계 주위의 위치 및 상기 받침대부와 상기 용융부 사이의 경계 주위의 위치로 분류하였고, 크랙 또는 분리의 각각의 방사방향 길이를 더욱 측정하였다. 또한, 상기 점화부에 나타나는 크랙 또는 분리의 길이의 비율(산화물 스케일)을 위의 식(1) 및 식(2)을 이용하여 결정하고, 실시예 1에서와 동일한 평가를 수행하였다. 표 2는 이러한 평가 테스트의 결과를 나타낸다.
표본 1 2 3 4 5 6 7 8
방전부 외경(S)[㎜] 0.70 1.20
용융부 길이(T)[㎜] 0.28 0.35 0.54 0.70 0.43 0.60 0.84 1.20
용융부 형성비율T/S 0.40 0.50 0.77 1.00 0.36 0.50 0.70 1.00
외각(θ)[°] 168 165 171 163 168 155 165 170
산화물 스케일 88.6% 35.1% 15.3% 11.2% 100% 47.6% 22.9% 17.6%
평가 × ○ ◎ ◎ × ○ ◎ ◎
표 2에 나타낸 바와 같이, 용융부 형성비율(T/S)을 0.70 이상으로 설정한 표본 3, 4, 7 및 8에 있어서, 각 산화물 스케일은 25% 미만이고, 상기 분리저항에 대하여 양호한 결과를 얻을 수 있음이 확인된다. 또한, 상기 용융부 형성비율(T/S)이 0.50 이상일 때에는, 표본 2 및 6과 마찬가지로, 상기 산화물 스케일을 50% 미만으로 제어 또는 억제할 수 있음이 확인된다. 그러나, 상기 용융부 형성비율(T/S)이 0.50 미만일 때에는, 표본 1 및 5과 마찬가지로, 상기 점화부의 산화물 스케일이 50% 이상임이 확인되며, 이는 분리저항을 위하여 바람직하지 못하다.
10 - 세라믹 절연체 12 - 축홀
20 - 중심전극 30 - 접지전극
31 - 상단부 33 - 내표면
50 - 금속쉘(주요 금속) 80, 180, 280 - 점화부
81 - 방전부 82 - 측표면
83 - 용융부 84 - 받침대부
85, 285 - 측표면 86 - 돌출상단
87 - 측표면 89, 289 - 연결부
100 - 스파크 플러그 274 - 플랜지부
276 - 상단 표면 279 - 연결부

Claims (6)

  1. 중심전극;
    축방향을 따라 연장되는 축홀을 가지며 상기 축홀의 내측에 상기 중심전극을 지지하는 세라믹 절연체;
    상기 세라믹 절연체를 지지하며 상기 세라믹 절연체의 둘레를 에워싸는 금속쉘;
    일단부는 상기 금속쉘에 고정되게 접속되며 및 타단부는 만곡되어 상기 타단부의 일측표면이 상기 중심전극의 상단부에 대향되도록 된 접지전극; 및
    상기 접지전극의 타단부의 일측표면 상에서 상기 중심전극의 상단부에 대향되는 위치에 마련되며, 상기 일측표면으로부터 상기 중심전극을 향하여 돌출되는 점화부로 이루어지며, 그리고
    상기 점화부는
    상기 일측표면으로부터 상기 중심전극을 향하여 돌출되는 받침대부;
    레이저 용접에 의하여 상기 받침대부의 돌출상단에 결합되며 상기 중심전극의 상단부와의 사이에 스파크 방전갭을 형성하는 방전부; 및
    상기 받침대부 및 상기 방전부 사이에 개재되고, 레이저 용접에 의하여 함께 용융 및 혼합되는 상기 받침대부 및 상기 방전부 모두의 구성물질로 형성되는 용융부를 가지며,
    상기 점화부가 상기 접지전극의 일측표면으로부터 돌출되는 방향에서 상기 점화부의 중심축을 포함하는 상기 점화부의 임의의 단면을 볼 때, 상기 용융부는 상기 점화부의 측표면으로부터 상기 중심축을 향하여 연장되도록 형성되고,
    상기 점화부의 임의의 단면의 윤곽선을 볼 때, 상기 용융부는 상기 받침대부의 측표면과 상기 방전부의 측표면을 연결하는 구조를 가지며, 그리고
    상기 점화부의 임의의 단면에서, (X1)는 상기 점화부의 측표면들 중 하나에서 상기 받침대부와 상기 용융부 사이의 경계위치에 위치되며, (X2)는 상기 점화부의 측표면들 중 하나에서 상기 방전부와 상기 용융부 사이의 경계위치에 위치되어, 상기 임의의 단면에서 상기 경계 위치(X1) 및 (X2)를 연결하는 직선의 거리가 최대로 되는 제 1 단면을 볼 때, 외경(S)과 연장길이(T) 사이의 관계는 (T/S)≥0.5를 만족하며, 여기에서, 상기 방전부와 상기 용융부 사이의 경계 위치(X2)에 기초하여, (S)는 중심축에 직각인 방사방향에서 상기 방전부의 외경이고, (T)는 방사상 내향방향에서 상기 용융부의 연장길이이며, 그리고
    상기 경계 위치(X1) 및 (X2)을 통과하는 가상선과 상기 중심축 사이에 형성되는 외각(θ)은 135°≤θ≤175°를 만족하고,
    상기 방전부 구성물질의 선팽창 계수와 상기 받침대부 구성물질의 선팽창 계수 사이의 차이는 8.1×10-6[1/K] 이하임을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 중심축을 중심으로 하는 다양한 방향에서 그의 전체 둘레에 걸쳐 상기 점화부의 모든 임의의 단면들의 절반 이상에서, 상기 외경(S)과 상기 연장길이(T) 사이의 각각의 관계는 T/S≥0.5를 만족하며, 각각의 외각(θ)은 135°≤θ≤175°를 만족함을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 받침대부의 측표면 및 상기 받침대부가 제공되는 상기 접지전극의 일측표면은 상기 점화부의 중심축을 포함하는 하나의 단면에서 내측으로 만곡한 오목한 형상을 갖는 제 1 연결부를 통하여 접속됨을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 받침대부는, 상기 접지전극측의 일측표면 상에서, 상기 받침대부의 외경을 확대함으로써 형성되는 플랜지부를 가지며, 그리고
    상기 받침대부의 플랜지부의 일표면으로서 상기 돌출상단에 대향되는 일표면 및, 상기 받침대부의 측표면으로서, 상기 플랜지부에 대하여 돌출 상단측에 위치되는 측표면은 상기 점화부의 중심축을 포함하는 하나의 단면에서 내측으로 만곡한 오목한 형상을 갖는 제 2 연결부를 통하여 접속됨을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 점화부의 방전부는 Pt, Ir, Rh 및 Ru 중 어느 하나의 귀금속으로 형성되거나, 또는 이들 귀금속 중 적어도 하나 이상의 귀금속을 포함하는 귀금속 합금으로 형성됨을 특징으로 하는 스파크 플러그.
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