KR101348019B1 - 플라즈마 젯 점화 플러그 - Google Patents

Abstract

점화 플러그(1)는 축구멍(4)을 가지는 절연애자(2)와, 선단면이 절연애자(2)의 선단보다도 후단측에 위치하도록 축구멍(4) 내에 끼워져 설치되는 중심전극(5)과, 금속쉘(3)과, 금속쉘(3)에 고정된 접지전극(27)을 구비하며, 축구멍(4)의 내주면과 중심전극(5)의 선단면에 의해서 형성되는 캐비티부(29)를 가진다. 축구멍(4)은 중심전극(5)의 선단면에서부터 축선(CL1)방향 선단측을 향해서 연장되는 제 1 스트레이트부(41)와, 제 1 스트레이트부(41)의 선단에서부터 축선(CL1)방향 선단측을 향해서 직경이 축소되는 축경부(43)를 구비한다. 또, 축선(CL1)을 포함하는 단면에 있어서, 축선(CL1)에 직교하는 직선과 축경부(43)의 외형선이 이루는 각도 중 예각의 각도를 α(°)라 하였을 때, α≥10을 만족한다. 이것에 의해서 착화성의 향상을 도모하면서 채널링을 억제하여 우수한 착화성을 장기간에 걸쳐서 유지할 수 있다.

Description

플라즈마 젯 점화 플러그{PLASMA-JET IGNITION PLUG}

본 발명은 플라즈마를 형성하여 혼합기에 대한 착화를 실시하는 플라즈마 젯 점화 플러그에 관한 것이다.

종래의 내연기관 등의 연소장치에 있어서는 불꽃방전에 의해서 혼합기에 대한 착화를 실시하는 점화 플러그가 사용되고 있다. 또, 최근에는 연소장치의 고출력화나 저연비화의 요구에 대응하기 위해서, 연소의 확산이 빠르고, 착화 한계 공연비가 보다 높은 희박 혼합기에 대해서도 보다 확실하게 착화 가능한 점화 플러그로서 플라즈마 젯 점화 플러그가 제안되고 있다.

일반적으로, 플라즈마 젯 점화 플러그는 축구멍을 가지는 통형상의 절연체와, 선단면이 절연체의 선단면보다도 후단측에 위치한 상태로 상기 축구멍 내에 끼워져 설치되는 중심전극과, 절연체의 외주에 배치되는 금속쉘과, 금속쉘의 선단부에 접합되는 원환형상의 접지전극을 구비하고 있다. 또, 플라즈마 젯 점화 플러그는 중심전극의 선단면과 축구멍의 내주면에 의해서 형성된 공간(캐비티부)을 가지고 있으며, 상기 캐비티부는 접지전극에 형성된 관통구멍을 통해서 외부에 연이어 통하도록 되어 있다.

이와 같은 플라즈마 젯 점화 플러그에 있어서는 다음과 같이 하여 혼합기에 대한 착화가 실시된다. 우선 중심전극과 접지전극과의 사이에 전압을 인가하여 양자 간에서 불꽃방전을 발생시켜 양자 간을 절연 파괴한다. 그 후, 양자 간에 고에너지의 전류를 투입하여 방전상태를 천이시켜 상기 캐비티부의 내부에 플라즈마를 발생시킨다. 그리고, 발생한 플라즈마가 캐비티부의 개구로부터 분출됨으로써 혼합기에 대한 착화가 실시된다.

그런데, 한층 더 우수한 착화성을 실현하는 수법으로서는, 불꽃방전 후에 투입되는 전류를 보다 고에너지인 것으로 하여 보다 큰 플라즈마를 발생시키는 것을 생각할 수 있다. 그런데, 고에너지의 전류를 투입하면, 중심전극이 소모되기 쉬워지게 되어, 불꽃방전시에 필요한 전압(방전전압)이 급속하게 증대할 우려가 있다.

그래서, 캐비티부의 내주면에 단차부를 형성하거나 선단측을 향해서 직경이 축소되는 축경부(縮徑部)를 형성함에 의해서 캐비티부에 스로트(throat)를 형성하여, 비교적 저에너지의 전류라 하더라도 우수한 착화성을 실현하는 수법이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 등 참조).

특허문헌 1 : WO2008/156035 A1

그런데, 불꽃방전은 중심전극과 접지전극과의 사이에 있어서 절연체의 내주면을 타고 가면서 발생하기 때문에, 불꽃방전에 의해서 불꽃방전 경로 상에 위치하는 절연체가 깎여 버리는 현상{이른바 채널링(channeling)}이 발생한다. 여기서, 불꽃방전은 중심전극과 접지전극과의 사이에 있어서 축선을 거의 따르는 방향에서 발생하는 바, 캐비티부의 내주면에 단차부를 형성한 경우에는 상기 단차부(절연체의 내주면)와 불꽃방전의 방향이 거의 직교하게 된다. 따라서, 불꽃방전이 절연체의 내주면(단차부)에 대해서 과도하게 억압된 상태에서 발생하게 되어, 상기 단차부에 있어서 급속하게 채널링이 진전될 우려가 있다. 채널링이 진전되어 캐비티부의 용적이 증대하면, 플라즈마의 분출압력이 저하되고, 더 나아가서는 착화성의 저하를 초래할 우려가 있다.

이것에 대해서, 단차부 대신에 연속적으로 직경이 축소되는 테이퍼 형상의 내주면(축경부)을 형성하도록 구성하면, 불꽃방전의 방향에 대해서 절연체의 내주면이 직교한다고 하는 사태를 방지할 수 있다. 그런데, 이 경우에 있어서, 상기 기술에서는 절연체의 내주면에 있어서의 중심전극의 선단 코너부(중심전극의 선단면과 측면과의 사이에 위치하는 부위)에 가장 접근하는 부위가 축경부의 후단에 위치하는 굴곡부분으로 되어 있다. 따라서, 불꽃방전은 전계 강도가 높은 부위를 기점으로 하여 발생하기 쉬운 바, 중심전극의 선단 코너부와 상기 굴곡부분은 양자 모두 전계 강도가 비교적 높고, 또 양자는 접근하여 있기 때문에, 불꽃방전이 상기 굴곡부분을 통과하는 경로에서 집중적으로 발생할 우려가 있다. 그 결과, 불꽃방전에 수반하여 상기 굴곡부분에서 채널링이 급속하게 진전되어, 캐비티부의 용적이 급격하게 증대하거나 절연체에 관통구멍이 생길 우려가 있다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 착화성의 향상을 도모하면서, 채널링의 급속한 진전을 억제함에 의해서 우수한 착화성을 장기간에 걸쳐서 유지할 수 있는 플라즈마 젯 점화 플러그를 제공하는 것에 있다.

이하, 상기 목적을 해결하는데 적합한 각 구성에 대해서, 항목별로 나누어서 설명한다. 또한, 필요에 따라서는 대응하는 구성에 특유의 작용 효과를 부기한다.

구성 1. 본 구성의 플라즈마 젯 점화 플러그는,

축선방향으로 연장되는 축구멍을 가지는 절연체와,

선단면이 상기 절연체의 선단보다도 상기 축선방향 후단측에 위치하도록 상기 축구멍 내에 끼워져 설치되는 중심전극과,

상기 절연체의 외주에 배치되는 금속쉘과,

상기 금속쉘의 선단부에 고정된 접지전극을 구비하며,

상기 축구멍의 내주면과 상기 중심전극의 선단면에 의해서 형성되는 캐비티부를 가지는 플라즈마 젯 점화 플러그로서,

상기 축구멍은,

상기 중심전극의 선단면에서부터 상기 축선방향 선단측을 향해서 연장되며 동일한 내경을 가지는 제 1 스트레이트부와,

상기 제 1 스트레이트부의 선단에서부터 상기 축선방향 선단측을 향해서 직경이 축소되는 축경부를 구비하며,

상기 축선을 포함하는 단면에 있어서, 상기 축선에 직교하는 직선과 상기 축경부의 외형선이 이루는 각도 중 예각의 각도를 α(°)라 하였을 때,

α≥10

을 만족하는 것을 특징으로 한다.

또한, "동일한 내경"이라는 것은, 축선방향을 따라서 내경이 엄밀하게 일정한 것 뿐만이 아니라, 축선방향을 따라서 내경이 약간 변동하는 것도 포함한다는 취지이다. 따라서, 예를 들면, 내주면을 축선에 대해서 약간(예를 들면, ±5°까지) 경사지도록 구성하는 것으로 하여도 좋다(이하 같음).

상기 구성 1에 의하면, 축구멍에는 축선방향 선단측을 향해서 직경이 축소되는 축경부가 형성되어 있다. 따라서, 캐비티부의 개구측(축선방향 선단측)으로 향한 플라즈마의 분출압력을 증대시킬 수 있어, 캐비티부의 개구에서부터의 플라즈마의 분출길이를 보다 큰 것으로 할 수 있다. 그 결과, 착화성의 향상을 도모할 수 있다.

한편, 축경부를 형성함에 의해서 캐비티부의 용적의 급격한 증대 등이 염려되지만, 상기 구성 1에 의하면, 축선에 직교하는 직선과 축경부의 외형선이 이루는 각도(α)가 10°이상으로 되어 있어, 축경부가 불꽃방전의 방향에 대해서 직교한 상태로 되는 일 없이 불꽃방전의 방향을 극력 따르도록 형성되어 있다. 따라서, 불꽃방전이 축경부에 대해서 과도하게 억압된 상태에서 발생한다고 하는 사태를 보다 확실하게 억제할 수 있어, 채널링의 급속한 진전을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

또한, 상기 구성 1에 의하면, 중심전극의 선단면과 축경부와의 사이에 제 1 스트레이트부가 형성되어 있어, 제 1 스트레이트부와 축경부와의 사이에 형성되는 굴곡부분과 중심전극의 선단면이 축선방향에 있어서 이간(離間)되도록 구성되어 있다. 따라서, 불꽃방전이 상기 굴곡부분을 통과하는 경로에서 집중적으로 발생한다고 하는 사태를 보다 효과적으로 방지할 수 있어, 불꽃방전 경로를 보다 분산시킬 수 있다. 그 결과, 각도(α)를 10°이상으로 하는 것과 더불어, 채널링의 급속한 진전을 극히 효과적으로 방지할 수 있다.

이상과 같이, 상기 구성 1에 의하면, 각도(α)를 10°이상으로 하면서 제 1 스트레이트부를 형성함으로써, 축경부를 형성함에 따라서 수반되는 채널링의 급속한 진전이라고 하는 디메리트를 효과적으로 해소할 수 있고, 축경부를 형성함에 의한 착화성의 향상이라고 하는 메리트를 장기간에 걸쳐서 유지할 수 있다.

구성 2. 본 구성의 플라즈마 젯 점화 플러그는, 상기 구성 1에 있어서, α≤45를 만족하는 것을 특징으로 한다.

상기 구성 2에 의하면, 각도(α)가 45°이하로 되어 있기 때문에, 캐비티부에 있어서의 축경부와 제 1 스트레이트부에 의해서 외주가 형성되는 개소(제 1 캐비티부)의 용적을 충분히 작은 것으로 할 수 있다. 따라서, 제 1 캐비티부에 있어서 플라즈마의 직경방향으로의 확산을 억제할 수 있어, 축선방향을 따르는 플라즈마의 분출속도를 보다 증대시킬 수 있다. 그 결과, 캐비티부의 개구에서부터의 플라즈마의 분출길이를 보다 크게 할 수 있어, 착화성의 향상을 한층 더 도모할 수 있다.

구성 3. 본 구성의 플라즈마 젯 점화 플러그는, 상기 구성 1 또는 구성 2에 있어서, 상기 축선을 따르는 상기 제 1 스트레이트부의 길이를 0.5㎜ 이하로 한 것을 특징으로 한다.

불꽃방전시에는 축경부에 대해서 전하가 충돌할 수 있는 바, 상기 구성 3에 의하면, 축선을 따르는 제 1 스트레이트부의 길이가 0.5㎜ 이하로 비교적 작은 것으로 되어 있어, 축경부에 대한 전하의 충돌 에너지를 효과적으로 저감시킬 수 있다. 그 결과, 채널링을 한층 더 확실하게 억제할 수 있어, 우수한 착화성을 한층 더 장기간에 걸쳐서 유지할 수 있다.

구성 4. 본 구성의 플라즈마 젯 점화 플러그는, 상기 구성 1 내지 구성 3 중 어느 한 구성에 있어서, 상기 중심전극의 선단을 포함하는 상기 축선방향에 직교하는 가상 평면과 상기 캐비티부의 개구와의 사이에 있어서의 상기 절연체의 내주면의 최단거리를 1.0㎜ 이상으로 한 것을 특징으로 한다.

플라즈마의 생성에 수반하여 중심전극이 마모되면, 절연체의 내주면에 마모 입자가 부착되어 중심전극과 접지전극과의 사이에 있어서의 절연저항이 저하될 수 있다. 여기서, 중심전극과 접지전극과의 사이에 있어서의 절연저항이 과도하게 작아지게 되면, 양자 간에서 전류의 리크가 발생하기 쉬워지게 되어, 불꽃방전 더 나아가서는 플라즈마의 생성에 지장이 생길 우려가 있다.

이 점에서, 상기 구성 4에 의하면, 중심전극의 선단을 포함하며 축선에 직교하는 가상 평면과 캐비티부의 개구와의 사이에 있어서의 절연체의 내주면의 최단거리가 1.0㎜ 이상으로 충분히 크게 확보되어 있다. 따라서, 절연체의 내주면에 다소의 마모 입자가 부착되었다 하더라도 중심전극과 접지전극과의 사이에 있어서 충분한 절연성능을 유지할 수 있다. 그 결과, 전류의 리크를 보다 확실하게 방지할 수 있고, 더 나아가서는 상기 구성 1 등에 의한 작용 효과를 보다 확실하게 발휘시킬 수 있다.

구성 5. 본 구성의 플라즈마 젯 점화 플러그는, 상기 구성 1 내지 구성 4 중 어느 한 구성에 있어서, 상기 접지전극은 상기 절연체의 선단면에 접촉되어 있고, 상기 중심전극의 선단을 포함하는 상기 축선방향에 직교하는 가상 평면과 상기 접지전극과의 사이에 있어서의 상기 절연체의 내주면의 최단거리를 2.5㎜ 이하로 한 것을 특징으로 한다.

중심전극의 소모에 의해서 방전전압이 서서히 증대하여 가는 것이나, 방전전압이 클수록 절연체에 채널링이 발생하기 쉬운 것을 감안하면, 초기(중심전극 등이 소모되기 전)에 있어서의 방전전압을 비교적 낮게 하는 것이 바람직하다.

이 점에서, 상기 구성 5에 의하면, 상기 가상 평면과 접지전극과의 사이에 있어서의 절연체의 내주면을 따르는 최단거리가 2.5㎜ 이하로 되어 있다. 따라서, 초기의 방전전압을 비교적 낮게 억제할 수 있어, 방전전압의 증대에 수반되는 방전 이상(異常)이나 채널링의 진전을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.

구성 6. 본 구성의 플라즈마 젯 점화 플러그는, 상기 구성 1 내지 구성 5 중 어느 한 구성에 있어서,

상기 축구멍은, 상기 축경부의 선단에서부터 상기 캐비티부의 개구까지 연장되며 동일한 내경을 가지는 제 2 스트레이트부를 가지며,

상기 제 1 스트레이트부와 상기 축경부에 의해서 외주가 형성된 제 1 캐비티부의 용적을 V1(㎣)이라 하고,

상기 제 2 스트레이트부에 의해서 외주가 형성된 제 2 캐비티부의 용적을 V2(㎣)라 하였을 때,

0.2≤V2/V1≤3.0

을 만족하는 것을 특징으로 한다.

상기 구성 6에 의하면, 제 1 캐비티부의 용적(V1)과 제 2 캐비티부의 용적(V2)이 0.2≤V2/V1≤3.0을 만족하도록 구성되어 있다. 즉, 0.2≤V2/V1을 만족함으로써, 제 1 캐비티부의 용적을 비교적 작은 것으로 하면서 제 2 캐비티부의 용적이 어느 정도의 크기로 확보되어 있다. 즉, 제 1 캐비티부의 용적(V1)이 과도하게 크면, 제 2 캐비티부에서 생성된 플라즈마를 캐비티부의 개구에서 분출시키기 위한 분출압력이 저하되는 것이 염려되지만, 제 1 캐비티부의 용적(V1)이 비교적 작게 됨으로써, 제 1 캐비티부에서 생성된 플라즈마에 의해서 제 1 캐비티부를 채울 수 있어, 플라즈마의 분출압력을 충분히 큰 것으로 할 수 있다. 또, 제 2 캐비티부의 용적(V2)을 어느 정도의 크기로 확보함으로써, 제 1 캐비티부에서 발생한 분출압력에 의해서 캐비티부의 개구로부터 분출되게 되는 플라즈마를 충분히 생성할 수 있어, 보다 큰 플라즈마를 캐비티부의 개구로부터 분출시킬수 있다.

또한, 제 1 캐비티부의 용적(V1)에 대해서 제 2 캐비티부의 용적(V2)이 과도하게 크게 되는 일이 없도록 V2/V1≤3.0을 만족하도록 구성됨으로써, 제 2 캐비티부에서 과도하게 플라즈마가 생성되어, 제 1 캐비티부에서 발생한 분출압력으로는 플라즈마를 충분히 분출시킬 수 없다고 한 사태를 보다 확실하게 방지할 수 있어, 캐비티부의 개구로부터의 플라즈마의 분출량을 향상시킬 수 있다.

이상과 같이, 상기 구성 6에 의하면, 0.2≤V2/V1≤3.0을 만족함으로써, 플라즈마의 분출력이나 분출량을 보다 증대시킬 수 있어, 착화성의 향상을 한층 더 도모할 수 있다.

구성 7. 본 구성의 플라즈마 젯 점화 플러그는, 상기 구성 1 내지 구성 6 중 어느 한 구성에 있어서,

상기 접지전극은 판(板)형상임과 아울러 판두께방향으로 관통하는 관통구멍을 가지며,

상기 축선에 직교하는 가상 평면에 대해서 상기 절연체의 개구와 상기 중심전극의 선단면의 외주와 상기 접지전극의 내주를 상기 축선을 따라서 투영하였을 때에,

상기 절연체의 개구의 투영선과 상기 중심전극의 선단면의 외주의 투영선과의 사이에 상기 접지전극의 내주의 투영선이 위치하는 것을 특징으로 한다.

상기 구성 7에 의하면, 캐비티부의 개구가 접지전극에 의해서 덮여지는 일이 없도록 구성되어 있다. 따라서, 플라즈마의 분출이 접지전극에 의해서 저해되기 어렵게 되고, 또 접지전극에 의해서 플라즈마의 열이 빼기는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다. 그 결과, 플라즈마의 성장을 촉진할 수 있어, 착화성을 한층 더 향상시킬 수 있다.

한편, 캐비티부의 개구가 접지전극에 의해서 덮여지는 일이 없도록 구성하면, 불꽃방전은 중심전극의 선단면의 외주와 접지전극의 관통구멍과의 사이에서 캐비티부의 개구를 돌아 들어가도록 하여 발생하게 된다. 즉, 불꽃방전은 접지전극으로 끌려 가는 경로에서 발생하게 되고, 그 결과, 절연체의 내주면에 대한 불꽃방전의 억압이 더 강해질 우려가 있다.

이 점에서, 상기 구성 7에 의하면, 상기 가상 평면에 있어서, 중심전극을 투영한 영역보다도 내측에 접지전극의 관통구멍을 투영한 영역이 위치하도록 구성되어 있어, 불꽃방전의 기점이 되는 중심전극의 선단면의 외주보다도 내주측에 접지전극의 관통구멍이 위치하고 있다. 즉, 중심전극의 선단면의 외주와 접지전극의 관통구멍을 연결하는 직선 상에서 불꽃방전이 발생하였 때에 절연체의 내주면에 대한 불꽃방전의 억압이 가장 약해지는 바, 상기 구성 7에 의하면, 불꽃방전이 상기 직선에 더 접근한 경로에서 발생하게 된다. 따라서, 절연체의 내주면에 대한 불꽃방전의 억압을 효과적으로 약하게 할 수 있고, 더 나아가서는 채널링을 보다 확실하게 억제할 수 있다.

구성 8. 본 구성의 플라즈마 젯 점화 플러그는, 상기 구성 1 내지 구성 7 중 어느 한 구성에 있어서, 상기 중심전극에 있어서의 그 선단에서부터 상기 축선방향 후단측으로 0.3㎜까지의 부위는 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 백금(Pt) 및 니켈(Ni) 중 적어도 1종을 포함하는 금속에 의해서 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 구성 8에 의하면, 중심전극의 선단부가 W이나 Ir 등 중 적어도 1종을 포함하는 금속에 의해서 형성되어 있다. 따라서, 불꽃방전 등에 대한 중심전극의 내소모성을 향상시킬 수 있고, 더 나아가서는 중심전극의 소모에 수반되는 방전전압의 상승속도를 억제할 수 있다. 그 결과, 불꽃방전 더 나아가서는 플라즈마의 생성이 가능한 기간을 보다 장기화할 수 있음과 아울러, 채널링을 한층 더 억제할 수 있다.

구성 9. 본 구성의 플라즈마 젯 점화 플러그는, 상기 구성 1 내지 구성 8 중 어느 한 구성에 있어서, 상기 접지전극은 W, Ir, Pt 및 Ni 중 적어도 1종을 포함하는 금속에 의해서 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 구성 9에 의하면, 접지전극은 W이나 Ir 등 중 적어도 1종을 포함하는 금속에 의해서 형성되어 있기 때문에, 불꽃방전 등에 대한 접지전극의 내소모성을 향상시킬 수 있다. 그 결과, 접지전극의 소모에 수반되는 방전전압의 상승을 억제할 수 있어, 내채널링성의 향상을 한층 더 도모할 수 있다.

도 1은 플라즈마 젯 점화 플러그의 구성을 나타내는 일부 파단 정면도이다.
도 2는 축구멍 등의 구성을 나타내는 부분 확대 단면도이다.
도 3의 (a),(b)는 축경부의 다른 예를 나타내는 부분 확대 단면도이다.
도 4는 최단거리(SL1,SL2) 등을 설명하기 위한 부분 확대 단면도이다.
도 5는 제 1 캐비티부 및 제 2 캐비티부를 설명하기 위한 확대 단면 모식도이다.
도 6은 가상 평면에 투영된 중심전극 선단면의 투영선 등을 나타내는 투영도이다.
도 7은 각도(α)를 여러 가지로 변경한 샘플에 있어서의 착화성 평가시험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 각도(α)를 여러 가지로 변경한 샘플에 있어서의 내구성 평가시험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 비교예에 상당하는 샘플의 캐비티부 등을 나타내는 부분 확대 단면도이다.
도 10은 실시예에 상당하는 샘플의 캐비티부 등을 나타내는 부분 확대 단면도이다.
도 11은 제 1 스트레이트부의 길이(L)를 여러 가지로 변경한 샘플에 있어서의 내구성 평가시험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 최단거리(SL2)를 여러 가지로 변경한 샘플에 있어서의 초기 방전전압 측정시험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13은 V2/V1를 여러 가지로 변경한 샘플에 있어서의 착화성 평가시험의 결과를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 일 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1은 플라즈마 젯 점화 플러그(이하, 간단히 "점화 플러그"라고도 한다)(1)를 나타내는 일부 파단 정면도이다. 또한, 도 1에서는 점화 플러그(1)의 축선(CL1)방향을 도면에 있어서의 상하방향으로 하되, 하측을 점화 플러그(1)의 선단측으로 하고 상측을 점화 플러그(1)의 후단측으로 하여 설명한다.

점화 플러그(1)는 통형상을 이루는 절연체로서의 절연애자(2), 이것을 유지하는 통형상의 금속쉘(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 있어서 직경방향 외측으로 돌출 형성된 대경부(大徑部)(11)와, 상기 대경부(11)보다도 선단측에 있어서 이것보다도 작은 직경으로 형성된 중간 몸통부(12)와, 상기 중간 몸통부(12)보다도 선단측에 있어서 이것보다도 작은 직경으로 형성된 긴 다리부(13)를 구비하고 있다. 또한, 절연애자(2)에 있어서의 대경부(11), 중간 몸통부(12) 및 다리부(13)는 금속쉘(3)의 내부에 수용되어 있다. 그리고, 중간 몸통부(12)와 다리부(13)와의 사이의 연접부에는 단차부(14)가 형성되어 있으며, 상기 단차부(14)에 의해서 절연애자(2)가 금속쉘(3)에 걸려 고정되어 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 열전도성이 우수한 구리나 구리 합금 등으로 이루어지는 내층(5A) 및 니켈(Ni)을 주성분으로 하는 Ni 합금{예를 들면, 인코넬(상표명) 600이나 610 등}으로 이루어지는 외층(5B)에 의해서 구성된 모재(5C)와, 상기 모재(5C)의 선단에 접합된 전극 팁(5D)으로 구성되어 있다. 또한, 중심전극(5)은 전체적으로 봉형상(원기둥 형상)을 이루며, 그 선단면(5F)이 평탄 형상으로 형성되어 있다. 또한, 상기 선단면(5F)은 절연애자(2)의 선단면보다도 후단측에 위치하여 있다. 또한, 본 실시형태에서는 제조시에 있어서의 치수 오차 등을 감안하여, 중심전극(5)의 선단부의 외주면과 축구멍(4)의 내주면과의 사이에 약간의 간극이 형성되도록 구성되어 있다.

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

또한, 축구멍(4) 내에 있어서의 중심전극(5)과 단자전극(6)과의 사이에는 원기둥 형상의 유리 실링층(9)이 배치되어 있으며, 상기 유리 실링층(9)을 통해서 중심전극(5)과 단자전극(6)이 각각 전기적으로 접속되어 있다.

상기 금속쉘(3)은 저탄소강 등의 금속에 의해서 통형상으로 형성되어 있으며, 그 외주면에는 점화 플러그(1)를 연소장치(예를 들면, 내연기관이나 연료전지 개질기 등)의 부착구멍에 부착하기 위한 나사부(수나사부)(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, 금속쉘(3)의 후단측에는, 금속쉘(3)을 상기 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, 금속쉘(3)의 선단부 외주에는 축선(CL1)방향 선단측을 향해서 돌출되도록 형성된 환형상의 걸어맞춤부(21)가 형성되어 있으며, 상기 걸어맞춤부(21)에 대해서 후술하는 접지전극(27)이 걸어맞춰지도록 되어 있다.

또, 금속쉘(3)의 내주면에는 절연애자(2)를 걸어 고정하기 위한 테이퍼 형상의 단차부(22)가 형성되어 있다. 그리고, 절연애자(2)는 금속쉘(3)의 후단측에서 선단측으로 향해서 삽입하되 자신의 단차부(14)가 금속쉘(3)의 단차부(22)에 걸린 상태에서 금속쉘(3)의 후단측의 개구부를 직경방향 내측으로 코킹함으로써, 즉 상기 코킹부(20)를 형성함으로써 금속쉘(3)에 고정되어 있다. 또한, 절연애자(2)의 단차부(14)와 금속쉘(3)의 단차부(22)와의 사이에는 원환 형상의 시트 패킹(23)이 개재되어 있다. 이것에 의해서 연소실 내의 기밀성이 유지되며, 절연애자(2)의 다리부(13)와 금속쉘(3)의 내주면과의 사이의 간극으로 흘러 들어오는 연료 가스가 외부로 누설되지 않도록 되어 있다.

또한, 코킹에 의한 밀폐를 보다 완전하게 하기 위해서, 금속쉘(3)의 후단측에 있어서는 금속쉘(3)과 절연애자(2)와의 사이에 환형상의 링부재(24,25)가 개재되며, 이들 링부재(24,25) 사이에는 탈크(활석)(26)의 분말이 충전되어 있다. 즉, 금속쉘(3)은 시트 패킹(23), 링부재(24,25) 및 탈크(26)를 개재하여 절연애자(2)를 유지하고 있다.

또, 금속쉘(3)의 선단부에는 원판 형상(예를 들면, 두께가 0.3㎜ 이상 1.0㎜ 이하)을 이루는 접지전극(27)이 접합되어 있다.

상기 접지전극(27)은 상기 금속쉘(3)의 걸어맞춤부(21)에 걸어맞춰진 상태에서 자신의 외주부분이 상기 걸어맞춤부(21)에 대해서 용접됨으로써 금속쉘(3)에 접합되어 있다. 또, 접지전극(27)은 자신의 중앙에 판두께방향으로 관통하는 관통구멍(28)을 가지고 있으며, 상기 관통구멍(28)을 통해서 후술하는 캐비티부(29)의 내부와 외부가 연이어 통하도록 되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는 상기 관통구멍(28)과 축구멍(4)이 동축선(coaxial line) 상에 위치하도록{즉, 관통구멍(28)의 중심이 상기 축선(CL1) 상에 위치하도록} 접지전극(27)이 접합되어 있다. 또, 절연애자(2)의 선단면에 대해서 접지전극(27)이 면(面)접촉하도록 구성되어 있다.

또한, 도 2에 나타내는 바와 같이, 절연애자(2)의 선단측에는 상기 축구멍(4)의 내주면과 중심전극(5)의 선단면에 의해서 형성된 캐비티부(29)가 형성되어 있다. 캐비티부(29)는 축선(CL1)에 직교하는 방향에 있어서 단면 원형상을 이루는 공간이며, 선단측을 향해서 개구되어 있다.

이어서, 본 실시형태의 특징부분인 축구멍(4)의 구성 등에 대해서 상세하게 설명한다.

본 실시형태에 있어서, 축구멍(4)에는 제 1 스트레이트부(41)와 제 2 스트레이트부(42)와 축경부(43)가 형성되어 있다.

제 1 스트레이트부(41)는 중심전극(5)의 선단면에서부터 축선(CL1)방향 선단측을 향해서 연장되며, 동일한 내경(예를 들면, 1㎜ 이상 2㎜ 이하)을 가지고 있다. 또, 제 2 스트레이트부(42)는 캐비티부(29)의 개구에서부터 축선(CL1)방향 후단측을 향해서 연장되며, 동일한 내경을 가지고 있다. 또한, 제 2 스트레이트부(42)는 제 1 스트레이트부(41)보다도 작은 내경(예를 들면, 0.5㎜ 이상 1㎜ 이하)으로 형성되어 있다. 또한, 제 1 스트레이트부(41)의 내경이나 제 2 스트레이트부(42)의 내경을 축선(CL1)을 따라서 약간 증감시키는 것으로 하여도 좋다. 따라서, 제 1 스트레이트부(41)나 제 2 스트레이트부(42)의 내주면을 축선(CL1)에 대해서 약간(예를 들면, ±5°이내) 경사지게 하는 것으로 하여도 좋다.

또, 축경부(43)는 제 1 스트레이트부(41)와 제 2 스트레이트부(42)와의 사이에 형성되며, 축선(CL1)방향 선단측을 향해서 직경이 축소되는 테이퍼 형상을 이루고 있다. 본 실시형태에서는, 축선(CL1)을 포함하는 단면에 있어서, 축선(CL1)에 직교하는 직선과 축경부(43)의 외형선이 이루는 각도 중 예각(銳角)의 각도를 "α(°)"라 하였을 때, 10≤α≤45를 만족하도록 축경부(43)가 구성되어 있다.

또한, 축경부(43)의 형상은 상기한 형상에 한정되는 것이 아니며, 도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 축선(CL1)을 포함하는 단면에 있어서, 외형선이 굴곡되도록 축경부(43)를 구성하는 것으로 하여도 좋다. 또, 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 외형선이 만곡 형상을 이루도록 축경부(43)를 구성하는 것으로 하여도 좋다. 또한, 이것들의 경우에 있어서, 상기 각도(α)는 제 1 스트레이트부(41)의 선단과 제 2 스트레이트부(42)의 후단을 연결하는 직선과 축선(CL1)에 직교하는 직선이 이루는 각도 중 예각의 각도를 말한다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에서는, 축선(CL1)을 따르는 제 1 스트레이트부(41)의 길이(L)가 0.1㎜ 이상 0.5㎜ 이하로 비교적 작게 설정되어 있다. 또, 축선(CL1)을 따르는 제 2 스트레이트부(42)의 길이는 제 1 스트레이트부(41)의 길이(L) 이상(예를 들면, 0.5㎜ 이상 2㎜ 이하)으로 되어 있다.

또한, 도 4에 나타내는 바와 같이, 중심전극(5)의 선단을 포함하며 축선(CL1)방향에 직교하는 가상 평면(VS)과 캐비티부(29)의 개구와의 사이에 있어서의 절연애자(2)의 내주면을 따르는 최단거리(SL1)가 1.0㎜ 이상으로 되어 있어, 중심전극(5)과 접지전극(27)과의 사이에 충분히 큰 간격이 형성되어 있다. 한편, 방전전압의 증대를 방지하기 위해서, 상기 가상 평면(VS)과 접지전극(27)과의 사이에 있어서의 절연애자(2)의 내주면을 따르는 최단거리(SL2)는 2.5㎜ 이하로 되어 있다.

또한, 도 5{도 5에서는 설명의 편의상 중심전극(5)이나 절연애자(2) 등의 해칭을 생략하고 있다}에 나타내는 바와 같이, 캐비티부(29)에 있어서, 제 1 스트레이트부(41)와 축경부(43)에 의해서 외주가 형성된 제 1 캐비티부(291)(도 5에 사선으로 나타낸 부위)의 용적을 "V1(㎣)"이라 하고, 캐비티부(29)에 있어서, 제 2 스트레이트부(42)에 의해서 외주가 형성된 제 2 캐비티부(292)(도 5에서 산점(散点)으로 나타낸 부위)의 용적을 "V2(㎣)"라 하였을 때, 0.2≤V2/V1≤3.0을 만족하도록 구성되어 있다.

또한, 중심전극(5), 접지전극(27) 및 캐비티부(29)는 다음의 관계를 만족하는 위치에 각각 배치되어 있다. 즉, 도 6에 나타내는 바와 같이, 축선(CL1)에 직교하는 가상 평면(PS)에 대해서 절연애자(2)의 개구{캐비티부(29)의 개구}와, 중심전극(5)의 선단면(5F)의 외주와, 접지전극(27)의 내주{관통구멍(28)의 내주}를 축선(CL1)을 따라서 투영하였을 때에, 절연애자(2)의 개구의 투영선(PL1)과 중심전극(5)의 선단면(5F)의 외주의 투영선(PL2)과의 사이에 접지전극(27)의 내주의 투영선(PL3)이 위치하고 있다.

또한, 상기 전극 팁(5D)은 중심전극(5)의 선단에서부터 적어도 축선(CL1)방향 후단측으로 0.3㎜까지의 부위를 구성하고 있으며, 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 백금(Pt) 및 니켈(Ni) 중 적어도 1종을 포함하는 금속에 의해서 구성되어 있다.

또, 전극 팁(5D)과 마찬가지로, 접지전극(27)은 W, Ir, Pt 및 Ni 중 적어도 1종을 포함하는 금속에 의해서 구성되어 있다.

이상 상세하게 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 축구멍(4)에는 축선(CL1)방향 선단측을 향해서 직경이 축소되는 축경부(43)가 형성되어 있기 때문에, 캐비티부(29)의 개구측으로 향한 플라즈마의 분출압력을 증대시킬 수 있다. 그 결과, 캐비티부(29)의 개구에서부터의 플라즈마의 분출길이를 보다 큰 것으로 할 수 있어, 착화성의 향상을 도모할 수 있다.

한편, 축경부(43)를 형성함에 의해서 캐비티부(29)의 용적의 급격한 증대 등이 염려되지만, 본 실시형태에서는 상기 각도(α)가 10°이상으로 되어 있어, 축경부(43)가 불꽃방전의 방향에 대해서 직교한 상태로 되는 일 없이 불꽃방전의 방향을 극력 따르도록 형성되어 있다. 따라서, 불꽃방전이 축경부(43)에 대해서 과도하게 억압된 상태에서 발생한다고 하는 사태를 보다 확실하게 억제할 수 있어, 채널링의 급속한 진전을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는 중심전극(5)의 선단면(5F)과 축경부(43)와의 사이에 제 1 스트레이트부(41)가 형성되어 있어, 제 1 스트레이트부(41)와 축경부(43)와의 사이에 형성되는 굴곡부분과 중심전극(5)의 선단면(5F)이 축선(CL1)방향에 있어서 이간(離間)되도록 구성되어 있다. 따라서, 불꽃방전이 상기 굴곡부분을 통과하는 경로에서 집중적으로 발생한다고 하는 사태를 보다 효과적으로 방지할 수 있어, 불꽃방전 경로를 보다 분산시킬 수 있다. 그 결과, 각도(α)를 10°이상으로 하는 것과 더불어, 채널링의 급속한 진전을 극히 효과적으로 방지할 수 있다.

이상과 같이, 본 실시형태에 의하면, 각도(α)를 10°이상으로 하면서 제 1 스트레이트부(41)를 형성함으로써, 축경부(43)를 형성함에 따라서 수반되는 채널링의 급속한 진전이라고 하는 디메리트를 효과적으로 해소할 수 있고, 축경부(43)를 형성함에 의한 착화성의 향상이라고 하는 메리트를 장기간에 걸쳐서 유지할 수 있다.

또, 각도(α)가 45°이하로 되어 있기 때문에, 제 1 캐비티부(291)의 용적을 충분히 작은 것으로 할 수 있다. 따라서, 제 1 캐비티부(291)에 있어서 플라즈마의 직경방향으로의 확산을 억제할 수 있어, 축선(CL1)방향을 따르는 플라즈마의 분출속도를 보다 증대시킬 수 있다. 그 결과, 캐비티부(29)의 개구에서부터의 플라즈마의 분출길이를 보다 크게 할 수 있어, 착화성의 향상을 한층 더 도모할 수 있다.

또한, 축선(CL1)을 따르는 제 1 스트레이트부(41)의 길이(L)가 0.5㎜ 이하로 비교적 작은 것으로 되어 있어, 축경부(43)에 대한 전하의 충돌 에너지를 효과적으로 저감시킬 수 있다. 그 결과, 채널링을 한층 더 확실하게 억제할 수 있어, 우수한 착화성을 한층 더 장기간에 걸쳐서 유지할 수 있다.

또한, 상기 가상 평면(VS)과 캐비티부(29)의 개구와의 사이에 있어서의 절연애자(2)의 내주면의 최단거리(SL1)가 1.0㎜ 이상으로 충분히 크게 확보되어 있다. 따라서, 절연애자(2)의 내주면에 다소의 마모 입자가 부착되었다 하더라도 중심전극(5)과 접지전극(27)과의 사이에 있어서 충분한 절연성능을 유지할 수 있다. 그 결과, 전류의 리크를 보다 확실하게 방지할 수 있고, 더 나아가서는 상기한 작용 효과를 보다 확실하게 발휘시킬 수 있다.

한편, 상기 가상 평면(VS)과 접지전극(27)과의 사이에 있어서의 절연애자(2)의 내주면을 따르는 최단거리(SL2)가 2.5㎜ 이하로 되어 있기 때문에, 초기의 방전전압을 비교적 낮게 억제할 수 있다. 그 결과, 방전전압의 증대에 수반되는 방전 이상(異常)이나 채널링의 진전을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.

또, 제 1 캐비티부(291)의 용적(V1)과 제 2 캐비티부(292)의 용적(V2)이 0.2≤V2/V1≤3.0을 만족하도록 구성되어 있다. 따라서, 플라즈마의 분출력이나 분출량을 보다 증대시킬 수 있어, 착화성의 향상을 한층 더 도모할 수 있다.

또한, 중심전극(5)의 선단부{전극 팁(5D)}나 접지전극(27)이 W이나 Ir 등 중 적어도 1종을 포함하는 금속에 의해서 형성되어 있다. 따라서, 불꽃방전 등에 대한 중심전극(5)이나 접지전극(27)의 내소모성을 향상시킬 수 있어, 중심전극(5) 등의 소모에 수반되는 방전전압의 상승을 억제할 수 있다. 그 결과, 불꽃방전 더 나아가서는 플라즈마의 생성이 가능한 기간을 보다 장기화할 수 있음과 아울러, 채널링을 한층 더 억제할 수 있다.

이어서, 상기 실시형태에 의해서 얻어지는 작용 효과를 확인하기 위해서, 축경부를 형성함과 아울러 상기 각도(α)를 여러 가지로 변경한 점화 플러그의 샘플을 복수 제작하고, 각 샘플에 대해서 내구성 평가시험 및 착화성 평가시험을 실시하였다.

착화성 평가시험의 개요는 다음과 같다. 즉, 각 샘플을 배기량 2.0L 4기통 엔진에 부착하고서, 점화 타이밍을 MBT(최적 점화위치)로 하여 불꽃방전을 발생시킴과 동시에 출력 100mJ의 플라즈마 전원으로부터 전력을 투입하여 플라즈마를 발생시킴으로써 회전수 1600rpm으로 엔진을 동작시켰다. 그리고, 공연비를 서서히 증대(연료를 희박하게)하면서 각 공연비마다 엔진 토크의 변동율을 측정하고, 엔진 토크의 변동율이 5%를 상회하였을 때의 공연비를 한계 공연비로서 특정하였다. 또한, 한계 공연비가 클수록 착화성이 우수한 것을 의미한다. 도 7에 상기 시험의 시험결과를 ●표시로 나타낸다. 또한, 도 7에서는 참고로서 캐비티부를 원기둥 형상으로 형성한 비교예에 상당하는 점화 플러그(도 9 참조)에 있어서의 상기 시험의 시험결과를 ▲표시로 나타낸다.

또, 내구성 평가시험의 개요는 다음과 같다. 우선 각 샘플에 대해서 전력을 투입하여 플라즈마를 분출시킴과 동시에 샘플의 측면 측에서 분출된 플라즈마를 촬상(撮像)하고, 촬상 화상으로부터 초기 상태에 있어서의 플라즈마의 분출면적을 측정하였다. 그리고, 샘플을 소정의 챔버에 부착하고서, 챔버 내의 압력을 0.4MPa로 설정하고, 인가전압의 주파수를 60Hz로(즉, 매분 3600회의 비율로) 하여 각 샘플을 방전시켰다(이 때, 플라즈마 전원으로부터 전류를 투입하는 일 없이 불꽃방전만을 발생시켰다). 그리고, 100시간 경과마다 플라즈마 전원으로부터 전류를 투입하여 플라즈마를 분출시킴과 동시에 점화 플러그의 측면 측에서 분출된 플라즈마를 촬상하고, 촬상 화상으로부터 플라즈마의 분출면적을 측정하였다. 그리고, 초기 상태에 있어서의 플라즈마의 분출면적에 대해서, 측정된 플라즈마의 분출면적이 절반 이하로 된 시간(내구시간)을 특정하였다. 도 8에 상기 시험의 시험결과를 나타낸다. 또한, 각 샘플에 대한 전압의 인가는 최장 2000시간으로 하고, 2000시간의 단계에서 측정된 플라즈마의 분출면적이 초기 상태에 있어서의 플라즈마의 분출면적의 절반보다도 컸던 샘플에 대해서는 도 8에서 ○표시로 시험결과를 나타낸다.

또, 각 샘플 모두는 도 10에 나타내는 바와 같이, 축선을 따르는 제 1 스트레이트부의 길이(L)를 0.1㎜로 하고, 축선을 따르는 캐비티부의 길이(축선을 따르는 캐비티부의 개구에서부터 중심전극의 선단까지의 거리)를 1.0㎜로 하였다. 또한, 중심전극의 선단면의 외경을 1.5㎜로 하고, 캐비티부의 개구의 내경을 0.8㎜로 하고, 접지전극의 관통구멍의 내경을 1.0㎜로 하였다. 한편, 캐비티부를 원기둥 형상으로 형성한 비교예에 상당하는 점화 플러그에 있어서는, 축선을 따르는 캐비티부의 길이를 1.0㎜로 하고, 캐비티부의 내경을 1.5㎜로 하였다.

도 7에 나타내는 바와 같이, 축경부를 형성한 샘플은 캐비티부를 원기둥 형상으로 형성한 비교예에 상당하는 점화 플러그보다도 우수한 착화성을 가지는 것이 분명하였다. 이것은 축경부를 형성함에 의해서 캐비티부의 개구측(축선방향 선단측)으로 향한 플라즈마의 분출압력을 증대시킬 수 있었고, 그 결과, 캐비티부의 개구에서부터의 플라즈마의 분출길이를 보다 크게 할 수 있었기 때문이라고 생각된다. 또, 특히 각도(α)를 45°이하로 한 샘플은 극히 우수한 착화성을 가지는 것이 확인되었다.

한편, 도 8에 나타내는 바와 같이, 축경부를 형성한 경우라 하더라도 각도(α)를 10°미만으로 한 샘플은 내구시간이 짧아 사용함에 따라서 착화성이 급속히 저하되는 것을 알 수 있었다. 이것은 중심전극과 접지전극과의 사이에 있어서 축선을 거의 따르는 방향에서 불꽃방전이 발생하는 바, 각도(α)가 과도하게 작게 되어 축경부가 불꽃방전의 방향과 거의 직교하는 형상으로 됨으로써 축경부에 대한 불꽃방전의 억압이 강해졌고, 더 나아가서는 채널링이 발생하기 쉬워졌기 때문이라고 생각된다.

이것에 대해서, 각도(α)를 10°이상으로 한 샘플은 내구시간이 1500시간을 넘어, 우수한 착화성을 장기간에 걸쳐서 유지할 수 있는 것이 분명하였다. 또, 특히 각도(α)를 20°이상으로 한 샘플은 내구시간이 2000시간 이상으로 되어, 우수한 착화성을 극히 장기간에 걸쳐서 유지할 수 있는 것이 확인되었다.

이어서, 상기 각도(α)를 5°또는 10°로 함과 아울러, 제 1 스트레이트부를 형성하지 않도록 구성한{즉, 제 1 스트레이트부의 길이(L)를 0.0㎜로 하고, 중심전극의 선단 코너부와 축경부의 후단측에 형성된 굴곡부분이 축선에 직교하는 방향을 따라서 대향하도록 구성한} 점화 플러그의 샘플 및 제 1 스트레이트부를 형성하되 축선을 따르는 제 1 스트레이트부의 길이(L)를 여러 가지로 변경한 점화 플러그의 샘플을 제작하고, 각 샘플에 대해서 상기한 내구성 평가시험을 실시하였다. 도 11에 상기 시험의 시험결과를 나타낸다. 또한, 도 11에서는 각도(α)를 5°로 한 샘플의 시험결과를 ●표시로 나타내고, 각도(α)를 10°로 한 샘플의 시험결과를 ▲표시로 나타낸다. 또, 각 샘플에 있어서, 중심전극의 선단면의 외경이나 캐비티부의 개구의 내경 등은 상기한 바와 같게 하였다.

도 11에 나타내는 바와 같이, 제 1 스트레이트부의 길이(L)를 형성한 샘플은 제 1 스트레이트부를 형성하지 않은{길이(L)를 0.0㎜로 한} 샘플에 비해서 내구성이 우수한 것을 알 수 있었다. 이것은 제 1 스트레이트부와 축경부와의 사이에 형성되는 굴곡부분과 중심전극의 선단 코너부를 이간시킴에 의해서, 전계 강도가 비교적 높은 상기 굴곡부분과 중심전극의 선단 코너부와의 사이에서 불꽃방전이 집중적으로 발생한다고 하는 사태가 억제되고(즉, 불꽃방전 경로가 분산되고), 그 결과, 채널링의 국소적인 집중을 효과적으로 억제할 수 있었기 때문이라고 생각된다.

또, 특히 길이(L)를 0.5㎜ 이하로 한 샘플은 한층 더 우수한 내구성을 가지는 것이 분명하였다. 이것은 길이(L)를 충분히 작은 것으로 함으로써, 불꽃방전시의 축경부에 대한 전하의 충돌 에너지를 저감시킬 수 있었던 것에 의한 것이라고 생각된다.

이상의 시험결과로부터, 착화성의 향상을 도모하면서 채널링을 억제하여 우수한 착화성을 장기간에 걸쳐서 유지한다고 하는 관점에서는, 제 1 스트레이트부와 축경부를 형성함과 아울러 축경부의 각도(α)를 10°이상으로 하는 것이 바람직하다고 말할 수 있다.

또, 착화성의 향상을 한층 더 도모한다고 하는 관점에서는, 각도(α)를 45°이하로 하는 것이 보다 바람직하다고 말할 수 있다.

또한, 내구성을 한층 더 향상시키기 위해서는, 제 1 스트레이트부의 길이(L)를 0.5㎜ 이하로 하거나 각도(α)를 20°이상으로 하는 것이 한층 더 바람직하다고 말할 수 있다. 또한, 내구성을 보다 확실하게 향상시킨다고 하는 관점에서는, 제 1 스트레이트부의 길이(L)를 0.1㎜ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.

이어서, 상기 최단거리(SL1)를 여러 가지로 변경한 점화 플러그의 샘플을 제작하고, 각 샘플에 대해서 절연성 평가시험을 실시하였다. 절연성 평가시험의 개요는 다음과 같다. 즉, 샘플을 소정의 챔버에 부착하고서, 챔버 내의 압력을 0.8MPa로 설정하고, 인가전압의 주파수를 60Hz, 플라즈마 전원의 출력을 100mJ로 하여 5분간에 걸쳐서 플라즈마를 발생시켰다(즉, 각 샘플 모두는 절연애자의 내주면에 대해서 중심전극의 마모 입자(wear particle)가 어느 정도 부착된 상태로 하였다). 이 상태에서, 각 샘플에 있어서의 중심전극과 접지전극과의 사이의 저항값을 측정하였다. 여기서, 측정된 저항값이 10MΩ 이상이 된 샘플은 충분한 절연성능을 가지는 것으로서 "○"의 평가를 내리고, 측정된 저항값이 10MΩ 미만인 샘플은 절연성능이 약간 낮아 불꽃방전에 지장이 생길수 있는 것으로서 "×"의 평가를 내리는 것으로 하였다. 표 1에 상기 시험의 시험결과를 나타낸다. 또한, 각 샘플 모두는 제 1 스트레이트부의 길이(L)를 0.1㎜로 하고, 각도(α)를 15°로 하였다. 또, 중심전극의 선단면의 외경이나 캐비티부의 개구의 내경 등은 상기한 것과 같게 하였다.

최단거리(SL1)(㎜)	절연성 평가
0.8	×
1.0	○
1.5	○
2.0	○
2.5	○
3.0	○

표 1에 나타내는 바와 같이, 최단거리(SL1)를 1.0㎜ 이상으로 한 샘플은 충분한 절연성능을 가지며, 불꽃방전의 발생, 더 나아가서는 플라즈마의 생성에 특단의 지장이 생기지 않는 것을 알 수 있었다.

이상의 시험결과로부터, 충분한 절연성능을 확보하여 플라즈마를 보다 확실하게 생성하기 위해서는, 최단거리(SL1)를 1.0㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다고 말할 수 있다.

이어서, 상기 최단거리(SL2)를 여러 가지로 변경한 점화 플러그의 샘플을 제작하고, 각 샘플에 대해서 초기 방전전압 측정시험을 실시하였다. 초기 방전전압 측정시험의 개요는 다음과 같다. 즉, 샘플을 시험용 챔버에 부착하고, 챔버 내의 압력을 0.8MPa로 하여 불꽃방전에 필요한 방전전압(초기 방전전압)을 측정하였다. 또한, 중심전극의 소모에 의해서 방전전압이 서서히 증대하여 가는 것이나, 방전전압이 클수록 절연애자에 채널링이 생기기 쉬운 것을 고려하여, 초기 방전전압은 20kV 이하인 것이 바람직하다고 말할 수 있다. 도 12에 상기 시험의 시험결과를 나타낸다. 또한, 각 샘플의 구성은 상기한 절연성 평가시험과 같은 것으로 하였다.

도 12에 나타내는 바와 같이, 최단거리(SL2)를 2.5㎜ 이하로 한 샘플은 초기 방전전압을 보다 확실하게 20kV 이하로 할 수 있는 것을 알 수 있었다.

이상의 시험결과로부터, 방전전압의 증대에 수반되는 실화(失火)나 채널링의 진전을 방지한다고 하는 관점에서는, 최단거리(SL2)를 2.5㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다고 말할 수 있다.

이어서, 축선을 따르는 캐비티부의 길이(캐비티 길이)를 0.5㎜, 1.0㎜ 또는 1.5㎜로 함과 아울러, 제 1 캐비티부의 용적(V1)(㎣)과 제 2 캐비티부의 용적(V2)(㎣)을 변경함에 따라서 V2/V1를 여러 가지로 변경한 점화 플러그의 샘플을 제작하고, 각 샘플에 대해서 상기한 착화성 평가시험을 실시하였다. 도 13에 상기 시험의 시험결과를 나타낸다. 또한, 도 13에서는 캐비티 길이를 0.5㎜로 한 샘플의 시험결과를 ●표시로 나타내고, 캐비티 길이를 1.0㎜로 한 샘플의 시험결과를 ▲표시로 나타내고, 캐비티 길이를 1.5㎜로 한 샘플의 시험결과를 ■표시로 나타낸다.

또, 각 샘플 모두는 제 1 스트레이트부의 길이(L)를 0.1㎜로 하고, 각도(α)를 15°로 하였다. 또한, 중심전극의 선단면의 외경을 1.5㎜로 하고, 캐비티부(제 2 캐비티부)의 개구의 내경을 0.8㎜로 하고, 접지전극의 관통구멍의 내경을 1.0㎜로 하였다. 또한, 도 13에서는 비교예로서 캐비티부를 원기둥 형상으로 형성함과 아울러 중심전극의 선단면의 외경(=캐비티부의 내경)을 1.5㎜로 한 다음, 축선을 따르는 캐비티 길이를 0.5㎜, 1.0㎜ 또는 1.5㎜로 한 점화 플러그(도 9 참조)의 시험결과를 각각 직선, 점선, 일점쇄선으로 나타낸다.

도 13에 나타내는 바와 같이, 각 샘플 모두는 캐비티 길이를 동일한 크기로 한 비교예에 상당하는 점화 플러그에 비해서 각각 우수한 착화성을 가지고 있는데, 특히 V2/V1를 0.2 이상 3.0 이하로 한 샘플의 한계 공연비는 캐비티 길이를 동일한 크기로 한 비교예에 상당하는 점화 플러그의 한계 공연비보다도 1.0 이상 증가하여, 착화성이 극히 우수한 것을 알 수 있었다. 이것은 다음의 이유에 의한 것이라고 생각된다.

즉, (1) V2/V1를 0.2 이상으로 하여 제 1 캐비티부의 용적(V1)을 비교적 작게 함으로써, 제 1 캐비티부에서 생성된 플라즈마에 의해서 제 1 캐비티부가 채워지게 되어, 제 2 캐비티부에서 생성된 플라즈마의 분출압력을 충분히 크게 할 수 있었던 것, 또 제 2 캐비티부의 용적(V2)을 어느 정도의 크기로 확보함으로써, 제 1 캐비티부에서 발생한 분출압력에 의해서 캐비티부의 개구로부터 분출되게 되는 플라즈마가 충분히 생성되어, 보다 큰 플라즈마를 캐비티부의 개구로부터 분출시킬 수 있었던 것, 및

(2) V2/V1를 3.0 이하로 하여 제 1 캐비티부의 용적(V1)에 대한 제 2 캐비티부의 용적(V2)의 과대를 방지함으로써, 제 2 캐비티부에서 과도하게 플라즈마가 생성되어, 제 1 캐비티부에서 발생한 분출압력으로는 플라즈마를 충분히 분출시킬 수 없다고 한 사태를 보다 확실하게 방지할 수 있어, 캐비티부의 개구로부터의 플라즈마의 분출량을 향상시킬 수 있었던 것에 의한 것이라고 생각된다.

이상의 시험결과로부터, 착화성의 향상을 한층 더 도모하기 위해서는, 제 1 캐비티부의 용적(V1)(㎣) 및 제 2 캐비티부의 용적(V2)(㎣)은 0.2≤V2/V1≤3.0을 만족하도록 구성하는 것이 바람직하다고 말할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 실시형태의 기재내용에 한정되지 않고, 예를 들면 다음과 같이 실시하여도 좋다. 물론, 이하에서 예시하지 않은 다른 응용예, 변경예도 당연히 가능하다.

(a) 상기 실시형태에서는 접지전극(27)이 W이나 Ir 등을 포함하는 금속에 의해서 구성되어 있으나, 접지전극(27)에 있어서 불꽃방전에 수반하여 소모되는 내주측의 부위만을 W이나 Ir 등을 포함하는 금속에 의해서 구성하는 것으로 하여도 좋다.

(b) 상기 실시형태에서는 중심전극(5)의 선단부에 전극 팁(5D)이 형성되어 있으나, 전극 팁(5D)을 형성하는 일 없이 중심전극(5)을 구성하는 것으로 하여도 좋다.

(c) 상기 실시형태에서는 절연애자(2)의 선단면에 대해서 접지전극(27)이 접촉하도록 구성되어 있으나, 절연애자(2)의 선단면과 접지전극(27)을 접촉시키는 일 없이, 양자 간에 약간의 간극을 형성하는 것으로 하여도 좋다. 단, 접지전극(27)의 내열성을 감안하면, 접지전극(27)을 절연애자(2)에 접촉시키는 것이 바람직하다.

(d) 상기 실시형태에서는 중심전극(5)의 선단면(5F)이 평탄 형상을 이루고 있으나, 예를 들면 외측으로 볼록한 만곡면 형상{예를 들면, 중심전극(5)의 선단부가 반구(半球) 형상}을 이루는 것으로 하여도 좋다.

(e) 상기 실시형태에서는 관통구멍(28)과 축구멍(4)이 동축선 상에 위치하도록{관통구멍(28)의 중심이 축선(CL1) 상에 위치하도록} 구성되어 있으나, 관통구멍(28)의 중심이 축선(CL1)에서 약간 어긋나도록 구성하는 것으로 하여도 좋다.

(f) 상기 실시형태에서는 공구 걸어맞춤부(19)가 단면 육각형상으로 되어 있으나, 공구 걸어맞춤부(19)의 형상에 관해서는 이와 같은 형상에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 예를 들면 공구 걸어맞춤부(19)를 Bi-HEX(변형 12각) 형상[ISO22977:2005(E)] 등으로 하여도 좋다.

1 - 점화 플러그(플라즈마 젯 점화 플러그)
2 - 절연애자(절연체) 3 - 금속쉘
4 - 축구멍 5 - 중심전극
27 - 접지전극 28 - 관통구멍
29 - 캐비티부 41 - 제 1 스트레이트부
42 - 제 2 스트레이트부 43 - 축경부
291 - 제 1 캐비티부 292 - 제 2 캐비티부
CL1 - 축선

Claims (9)

1. 축선방향으로 연장되는 축구멍을 가지는 절연체와,
   선단면이 상기 절연체의 선단보다도 상기 축선방향 후단측에 위치하도록 상기 축구멍 내에 끼워져 설치되는 중심전극과,
   상기 절연체의 외주에 배치되는 금속쉘과,
   상기 금속쉘의 선단부에 고정된 접지전극을 구비하며,
   상기 축구멍의 내주면과 상기 중심전극의 선단면에 의해서 형성되는 캐비티부를 가지는 플라즈마 젯 점화 플러그로서,
   상기 축구멍은,
   상기 중심전극의 선단면에서부터 상기 축선방향 선단측을 향해서 연장되며 동일한 내경을 가지는 제 1 스트레이트부와,
   상기 제 1 스트레이트부의 선단에서부터 상기 축선방향 선단측을 향해서 직경이 축소되는 축경부(縮徑部)를 구비하며,
   상기 축선을 포함하는 단면에 있어서, 상기 축선에 직교하는 직선과 상기 축경부의 외형선이 이루는 각도 중 예각의 각도를 α(°)라 하였을 때,
   α≥10
   을 만족하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   α≤45를 만족하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 축선을 따르는 상기 제 1 스트레이트부의 길이를 0.5㎜ 이하로 한 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 중심전극의 선단을 포함하는 상기 축선방향에 직교하는 가상 평면과 상기 캐비티부의 개구와의 사이에 있어서의 상기 절연체의 내주면의 최단거리를 1.0㎜ 이상으로 한 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 접지전극은 상기 절연체의 선단면에 접촉되어 있고,
   상기 중심전극의 선단을 포함하는 상기 축선방향에 직교하는 가상 평면과 상기 접지전극과의 사이에 있어서의 상기 절연체의 내주면의 최단거리를 2.5㎜ 이하로 한 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 축구멍은, 상기 축경부의 선단에서부터 상기 캐비티부의 개구까지 연장되며 동일한 내경을 가지는 제 2 스트레이트부를 가지며,
   상기 제 1 스트레이트부와 상기 축경부에 의해서 외주가 형성된 제 1 캐비티부의 용적을 V1(㎣)이라 하고,
   상기 제 2 스트레이트부에 의해서 외주가 형성된 제 2 캐비티부의 용적을 V2(㎣)라 하였을 때,
   0.2≤V2/V1≤3.0
   을 만족하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 접지전극은 판(板)형상임과 아울러 판두께방향으로 관통하는 관통구멍을 가지며,
   상기 축선에 직교하는 가상 평면에 대해서 상기 절연체의 개구와 상기 중심전극의 선단면의 외주와 상기 접지전극의 내주를 상기 축선을 따라서 투영하였을 때에,
   상기 절연체의 개구의 투영선과 상기 중심전극의 선단면의 외주의 투영선과의 사이에 상기 접지전극의 내주의 투영선이 위치하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 중심전극에 있어서의 그 선단에서부터 상기 축선방향 후단측으로 0.3㎜까지의 부위는 텅스텐, 이리듐, 백금 및 니켈 중 적어도 1종을 포함하는 금속에 의해서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 접지전극은 텅스텐, 이리듐, 백금 및 니켈 중 적어도 1종을 포함하는 금속에 의해서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 젯 점화 플러그.
   

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