KR101371910B1 - 스파크 플러그 - Google Patents

Abstract

스파크 플러그(1)는 축선(CL1)방향으로 연장되는 축구멍(4)을 가지는 절연애자(2)와, 축구멍(4)에 삽입되는 단자전극(6)을 구비한다. 단자전극(6)은 상기 축구멍(4)의 후단측에 삽입되는 봉형상의 다리부(6A)와, 절연애자(2)의 후단으로부터 노출하는 머리부(6B)를 구비한다. 또한, 단자전극(6)의 다리부(6A)의 선단부가 절연애자(2)에 고정됨과 아울러, 다리부(6A)의 축선(CL1)을 따르는 길이가 35㎜ 이상으로 된다. 또한, 단자전극(6)의 중심(重心)이 절연애자(2)의 축구멍 내부에 위치한다. 이것에 의하여, 다리부(6A)가 비교적 긴 단자전극(6)을 가지는 스파크 플러그(1)에 있어서, 단자전극(6)의 절손을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

Description

스파크 플러그 {SPARK PLUG}

본 발명은 내연기관 등에 사용되는 스파크 플러그에 관한 것이다.

스파크 플러그는 내연기관 등에 이용되며, 예를 들면, 축선방향으로 연장되는 축구멍을 가지는 절연체와, 축구멍의 선단측에 형성되는 중심전극과, 축구멍의 후단측에 형성되는 단자전극을 구비한다. 또, 단자전극은 절연체의 후단으로부터 노출되며 전력 공급용의 플러그 캡 등이 부착되는 머리부와, 상기 축구멍에 삽입되어 선단부가 유리밀봉 등에 의하여 절연체에 고정되는 봉형상의 다리부를 구비하고 있다. 또한, 상기 절연체의 외주에는 원통형상의 금속쉘이 고정됨과 아울러, 금속쉘의 선단부에는 접지전극이 접합된다. 그리고, 단자전극에 부착된 플러그 캡 등을 통하여, 소정의 전압이 인가됨으로써, 중심전극과 접지전극 사이에 있어서 불꽃이 방전한다.

그런데, 최근에는 환경보호 등의 관점에서 내연기관의 연비가 엄격하게 규제되어 있다. 여기서, 연비규제 요구에 응하되, 출력저하를 방지하기 위하여, 내연기관의 배기량을 감소시키는 한편, 고압축화(高壓縮化)나 고과급기화(高過給氣化)를 실시함으로써 출력저하 방지를 도모하고 있다.

여기서, 고압축화나 고과급기화된 내연기관에 있어서는 불꽃을 방전시키기 위해서 보다 큰 전압이 필요하게 된다. 하지만, 인가 전압을 증대시키면, 단자전극과 금속쉘 사이에서 절연체 표면을 타고 흘러 전류가 리크되게 되며, 방전이상(異常)에 의한 실화가 발생할 우려가 있다. 여기서, 전류의 리크(이른바, 플래시 오버)를 방지하기 위하여, 절연체에 있어서 상기 단자전극의 머리부와 금속쉘 사이에 위치하는 부위(후단측 몸통부)를 보다 길게(예를 들면, 35㎜정도) 하는 것을 생각할 수 있다(예를 들면, 특허문헌 1 등 참조). 이 경우, 절연체의 후단측 몸통부가 길어짐에 따라, 절연체 내부에 삽입되는 단자전극의 다리부도 보다 긴 것으로 될 수 있다.

특허문헌 1: 일본국 특허공개 2001-155839호 공보

하지만, 가변밸브 타이밍 제어나, 기통 휴지 제어 등의 특수한 제어 시스템을 가지는 고효율 엔진 등에 있어서는 종전의 엔진에 비하여, 동작에 수반하여 발생하는 진동이 보다 큰 것으로 되어 있고, 단자전극에 가해지는 가속도도 보다 큰 것으로 되어 있다. 이 때문에, 상기한 바와 같이 단자전극의 다리부를 길게 하면, 진동에 수반하여 절연체에 고정된 다리부의 선단부를 기점으로 단자전극의 머리부가 진동함으로써 다리부에 대하여 현저하게 큰 응력이 가해지게 되며, 나아가서는 단자전극이 절손될 우려가 있다.

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 단자전극의 다리부가 비교적 길게 되어 있는 스파크 플러그에 있어서, 단자전극의 절손을 보다 확실하게 방지할 수 있는 스파크 플러그를 제공하는 것에 있다.

이하, 상기 목적을 해결함에 있어서 적합한 각 구성에 대하여, 항목을 나눠서 설명한다. 또한 필요에 따라서 대응하는 구성에 특유의 작용효과를 부기(附記)한다.

구성 1. 본 구성의 스파크 플러그는 축선방향으로 연장되는 축구멍을 가지는 절연체와,

상기 축구멍의 후단측에 삽입되는 봉형상의 다리부 및 상기 절연체의 후단으로부터 노출되는 머리부를 구비하는 단자전극을 구비하고,

상기 다리부의 선단부가 상기 절연체에 고정됨과 아울러, 상기 축선을 따르는 상기 다리부의 길이가 35㎜ 이상의 스파크 플러그로서,

상기 단자전극의 중심(重心)이 상기 절연체의 축구멍 내부에 위치하는 것을 특징으로 한다.

상기 구성 1의 스파크 플러그는 축선을 따르는 단자전극의 다리부의 길이가 35㎜ 이상이기 때문에, 진동에 수반하는 단자전극의 절손이 보다 염려된다.

이 점에 있어서, 상기 구성 1에 의하면, 단자전극의 중심(重心)위치가 절연체의 축구멍 내부에 위치하고 있다. 즉, 단자전극의 중심이 위치하는 부위가 축구멍의 외주면에 의해서 지지됨과 아울러, 축선을 따르는 다리부의 선단에서 중심위치까지의 거리가 비교적 짧게 되도록 구성되어 있다. 따라서, 내연기관 등의 동작에 수반하여, 다리부의 선단부를 기점으로 단자전극이 진동할 때에 있어서, 다리부에 대해서 가해지는 응력을 비약적으로 저감시킬 수 있다. 그 결과, 단자전극의 절손을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

또한 단자전극의 절손을 방지하면서, 다리부의 길이를 35㎜ 이상으로 할 수 있기 때문에, 절연체에 있어서 상기 단자전극의 머리부와 금속쉘 사이에 위치하는 부위(후단측 몸통부)를 보다 긴 것으로 할 수 있다. 이것에 의하여, 스파크 플러그에 대한 공급전압(스파크 플러그의 요구전압)을 증대시켰다고 하여도, 절연체(후단측 몸통부) 표면을 타고 흐르는 단자전극에서 금속쉘에 대한 전류의 리크를 보다 확실하게 방지할 수 있으며, 방전 이상에 의한 실화(失火)를 보다 확실하게 억제할 수 있다.

또한, 단자전극의 전 영역이 절연체 내부에 위치하지 않고, 단자전극의 머리부가 절연체의 후단으로부터 노출되어 있기 때문에, 전력 공급용의 플러그 캡 등과 단자전극의 머리부 사이를 보다 확실하게 전기적으로 접속할 수 있다. 따라서, 스파크 플러그에 대하여 보다 확실하게 전압을 인가할 수 있으므로, 방전 이상의 발생을 보다 확실하게 억제할 수 있다. 또한, 이와 같이 플러그 캡 등과 단자전극을 보다 확실하게 전기적으로 접속함으로써, 예를 들면, 점화 시에 인가하는 전압(예를 들면, 3만V정도)보다도 훨씬 더 낮은 전압(예를 들면, 300V~500V)을 스파크 플러그에 인가하여, 착화상태를 판정하는 이온 전류 검출 시스템이 구비되어 있는 경우에 있어서는 상기 이온 전류 검출 시스템의 보다 안정적인 동작을 도모할 수 있다.

구성 2. 본 구성의 스파크 플러그는 상기 구성 1에 있어서, 상기 단자전극의 경도가 비커스 경도로 150Hv 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 구성 2에 의하면, 단자전극의 경도가 비커스 경도로 150Hv 이상으로 되어 있다. 즉, 단자전극은 충분하게 큰 강도를 가지기 때문에, 내절손성(耐折損性)의 향상을 더욱 도모할 수 있다.

구성 3. 본 구성의 스파크 플러그는 상기 구성 1 또는 구성 2에 있어서, 상기 단자전극의 중심이 상기 축선을 따라서 상기 절연체의 후단으로부터 5㎜ 이상 선단측에 위치하는 것을 특징으로 한다.

상기 구성 3에 의하면, 단자전극의 중심이 축선을 따라서 절연체의 후단으로부터 5㎜ 이상 선단측에 위치하고 있기 때문에, 진동에 수반하여 다리부에 가해지는 응력을 보다 저감시킬 수 있다. 그 결과, 단자전극의 절손을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

구성 4. 본 구성의 스파크 플러그는 상기 구성 1 내지 구성 3 중 어느 한 구성에 있어서, 상기 절연체의 후단측에 위치하는 후단측 몸통부의 외경이 9㎜ 이하이고,

상기 단자전극의 머리부의 중량이 0.8g 이하인 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이, 스파크 플러그에 대해서 전력을 공급하기 위하여 단자전극의 머리부에는 전력 공급용의 플러그 캡 등이 부착될 수 있다. 이 상태에서 단자전극에 진동이 가해지면, 플러그 캡 등에 의하여 지지되어 있는 단자전극의 머리부측을 기점으로 단자전극의 다리부측에 응력이 가해짐으로써, 다리부로부터 절연애자의 내주면에 대해서 충격이 가해질 우려가 있다. 여기서, 절연체가 충분히 두께를 가지면 절연체에 파손이 발생할 우려는 비교적 적다고 할 수 있다. 그러나, 최근에는, 스파크 플러그의 소형화의 요구에 따라 절연체의 소경화(小徑化)·박육화(薄肉化)가 도모되고 있으며, 이러한 절연체에 있어서는 다리부로부터 가해지는 충격에 의해서 파손이 발생할 우려가 있다.

이 점에 있어서, 상기 구성 4의 절연체는 후단측 몸통부의 외경이 9㎜ 이하로 소경화되어 있으므로 절연체의 파손이 보다 염려되지만, 본 구성 4에 의하면, 단자전극의 머리부의 무게가 0.8g 이하로 되어 있다. 즉, 다리부로부터 절연체에 대해서 가해지는 응력과, 절연체의 외부에 배치되는 단자전극의 머리부의 중량 사이에는 상관관계가 있으므로, 머리부의 중량을 0.8g 이하로 충분히 작은 것으로 함으로써, 다리부로부터 절연체로 가해지는 충격의 충격저감이 도모되고 있다. 이것에 의하여, 소경화 된 절연체이어도, 그 파손을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

구성 5. 본 구성의 스파크 플러그는 상기 구성 1 내지 구성 4 중 어느 한 구성에 있어서, 상기 절연체의 후단측에 위치하는 후단측 몸통부의 외경이 9㎜ 이하이고,

상기 축선을 따르는 상기 단자전극의 머리부의 길이가 5㎜ 이하인 것을 특징으로 한다.

다리부로부터 절연체에 대해서 가해지는 응력과, 절연체의 외부에 위치되는 단자전극의 머리부의 길이 사이에는 상관관계가 있으므로, 상기 구성 5에 의하면, 축선을 따르는 머리부의 길이가 5㎜ 이하로 비교적 짧게 되어 있다. 따라서, 다리부로부터 절연체로 가해지는 충격을 보다 저감시킬 수 있으며, 외경이 9㎜ 이하로 소경화 된 절연체이어도, 진동에 수반하는 파손을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

구성 6. 본 구성의 스파크 플러그는 상기 구성 1 내지 구성 5 중 어느 한 구성에 있어서, 상기 단자전극의 머리부에 상기 축선방향 후단측을 향하여 돌출되는 돌기부를 형성한 것을 특징으로 한다.

단자전극의 머리부와 플러그 캡 등을 전기적으로 접속하는 수법의 하나로서 플러그 캡 내부에 전력 공급용 도선에 접속된 코일 스프링을 형성하고, 상기 코일 스프링의 선단부를 단자전극의 머리부에 누름접촉시키는 수법을 생각할 수 있다. 그러나, 일반적으로 머리부의 후단면은 평탄형상으로 형성된다. 이것에 의하여, 진동이 가해졌을 때에, 코일 스프링의 선단부와 머리부와의 사이에 마찰이 발생되고, 나아가서는 마모에 의한 금속가루가 발생할 우려가 있다. 여기서, 금속가루가 절연체의 후단측 몸통부의 표면에 부착되면, 머리부로부터 금속쉘로 전류가 리크되기 쉬워지므로 방전 이상이 발생할 우려가 있다.

이 점에 있어서, 상기 구성 6에 의하면, 단자전극의 머리부에 돌기부가 형성되어 있으므로, 상기 돌기부를 코일 스프링의 선단부에 삽입함으로써 머리부에 대한 코일 스프링의 어긋남을 억제할 수 있다. 그 결과, 마모에 의한 금속가루의 발생을 보다 확실하게 방지할 수 있어 방전 이상의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.

도 1은 스파크 플러그의 구성을 나타내는 일부 파단 정면도이다.
도 2는 단자전극에 대한 플러그 캡의 부착을 나타내는 일부 파단 정면 확대도이다.
도 3은 내(耐)충격시험에 이용하는 시험기의 개략 구성을 나타내는 일부 파단 정면도이다.
도 4는 단자전극의 경도 등을 변경한 샘플에 있어서의 내충격시험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 단자전극의 머리부의 길이 등을 변경한 샘플에 있어서의 내충격시험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 다른 실시형태에 있어서의 단자전극의 머리부를 나타내는 일부 파단 정면 확대도이다.
도 7(a), 도 7(b)는 다른 실시형태에 있어서의 단자전극의 머리부를 나타내는 일부 파단 정면 확대도이다.

이하에 일실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은 스파크 플러그(1)를 나타내는 일부 파단 정면도이다. 또한, 도 1에서는 스파크 플러그(1)의 축선(CL1)방향을 도면에 있어서의 상하 방향으로 하되, 하측을 스파크 플러그(1)의 선단측, 상측을 후단측으로 하여 설명한다.

스파크 플러그(1)는 통형상을 이루는 절연체로서의 절연애자(2), 이것을 지지하는 통형상의 금속쉘(3) 등으로 구성되는 것이다.

절연애자(2)는 주지와 같이 알루미나 등을 소성하여 형성되어 있으며, 그 외형부에 있어서, 후단측에 형성된 후단측 몸통부(10)와, 상기 후단측 몸통부(10)보다도 선단측에 있어서 지름방향 외측으로 돌출 형성된 대경부(大徑部)(11)와, 상기 대경부(11)보다도 선단측에 있어서 대경부(11)보다 작은 지름으로 형성된 중간 몸통부(12)와, 상기 중간 몸통부(12)보다도 선단측에 있어서 중간 몸통부(12)보다 작은 지름으로 형성된 다리부(13)를 구비하고 있다. 또한, 절연애자(2)에 있어서, 대경부(11), 중간 몸통부(12) 및 대부분의 다리부(13)는 금속쉘(3)의 내부에 수용되어 있다. 그리고, 다리부(13)와 중간 몸통부(12)의 연접부에는 테이퍼 형상의 단차부(14)가 형성되어 있으며, 상기 단차부(14)에 의하여 절연애자(2)가 금속쉘(3)에 걸어맞춰져 있다.

또한 절연애자(2)에는 축선(CL1)을 따라서 축구멍(4)이 관통 형성되어 있으며, 상기 축구멍(4)의 선단측에는 중심전극(5)이 삽입, 고정되어 있다. 상기 중심전극(5)은 전체적으로 봉형상(원기둥형상)을 이루며, 절연애자(2)의 선단으로부터 돌출되어 있다. 또, 중심전극(5)은 구리 또는 구리합금으로 이루어지는 내층(5A)과, 니켈(Ni)을 주성분으로 하는 Ni합금으로 이루어지는 외층(5B)에 의하여 구성되어 있다. 또한 상기 중심전극(5)의 선단부에는 귀금속 합금(예를 들면, 이리듐 합금이나 백금 합금 등)에 의하여 형성된 원기둥형상의 귀금속 팁(31)이 접합되어 있다.

또, 축구멍(4)의 후단측에는 단자전극(6)이 삽입, 고정되어 있다. 단자전극(6)은 축선(CL1)을 따라서 연장되는 봉형상의 다리부(6A)와, 상기 다리부(6A)의 후단측에 위치하며, 다리부(6A)보다도 큰 외경을 가지는 머리부(6B)를 구비하고 있다. 또한, 상기 다리부(6A)는 상기 축구멍(4)에 삽입되는 반면, 상기 머리부(6B)는 절연애자(2)의 후단으로부터 노출되어 있다. 또한 축구멍(4)에 대해서 다리부(6A)를 용이하게 삽입 가능하도록 하기 위하여, 축구멍(4)의 내주면 사이에 소정의 간극이 형성되도록 상기 다리부(6A)의 외경이 설정되어 있다. 또, 다리부(6A)의 선단부는 후술하는 유리 밀봉층(9)에 의하여 절연애자(2)에 고정되어 있으며, 이것에 의하여 단자전극(6)과 절연애자(2)가 고정되어 있다.

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

또한, 금속쉘(3)은 저탄소강 등의 금속에 의하여 통형상으로 형성되어 있으며, 그 외주면에는 스파크 플러그(1)를 내연기관이나 연료 전지 개질기 등의 연소장치에 부착하기 위한 나사부(수나사부)(15)가 형성되어 있다. 또, 나사부(15)의 후단측의 외주면에는 시트부(16)가 형성되며, 나사부(15) 후단의 나사 목부(17)에는 링형상의 개스킷(18)이 끼워져있다. 또한 금속쉘(3)의 후단측에는 스파크 플러그(1)를 연소장치에 부착할 때에 렌치 등의 공구를 걸어맞추기 위한 단면 육각 형상의 공구 걸어맞춤부(19)가 형성됨과 아울러, 후단부에 있어서 절연애자(2)를 지지하기 위한 코킹부(20)가 형성되어있다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 나사부(15)의 나사지름은 M12 이하로 비교적 소경화되어 있다.

또, 금속쉘(3)의 내주면에는 절연애자(2)를 걸어맞추기 위한 테이퍼 형상의 단차부(21)가 형성되어있다. 그리고, 절연애자(2)는 금속쉘(3)의 후단측으로부터 선단측을 향해 삽입되되, 자신의 단차부(14)가 금속쉘(3)의 단차부(21)에 걸어맞춰진 상태에서 금속쉘(3)의 후단측의 개구부를 지름방향 내측으로 코킹함에 의해서, 즉 상기 코킹부(20)를 형성하는 것에 의해서 고정된다. 또한, 절연애자(2) 및 금속쉘(3) 쌍방의 단차부(14,21) 사이에는 원환(圓環)형상 판패킹(22)이 개재되어 있다. 이것에 의하여, 연소실 내의 기밀성을 유지하여, 연소실 내에 노출되는 절연애자(2)의 다리부(13)와 금속쉘(3)의 내주면 사이의 공간으로 흘러 들어가는 연료 가스가 외부로 누출되지 않도록 되어 있다.

또한 코킹에 의한 밀폐를 보다 완전한 것으로 하기 위하여, 금속쉘(3)의 후단측에 있어서는 금속쉘(3)과 절연애자(2) 사이에 환형상의 링 부재(23,24)가 개재되며, 링 부재(23,24) 사이에는 탈크(활석)(25)분말이 충전되어 있다. 즉, 금속쉘(3)은 판패킹(22), 링 부재(23,24) 및 탈크(25)를 통해서 절연애자(2)를 지지하고 있다.

또, 금속쉘(3)의 선단부(26)에는 대략 중간 부분이 굴곡되어, 그 선단측 측면이 중심전극(5)의 선단부와 대향하는 접지전극(27)이 접합되어 있다. 상기 접지전극(27)은 Ni합금에 의하여 형성되어 있으며, 접지전극(27)의 선단측 측면과 중심전극(5)의 선단부(귀금속 팁(31)) 사이에 형성된 불꽃 방전 간극(33)에 있어서, 축선(CL1)을 거의 따르는 방향으로 불꽃 방전이 이루어지게 되어 있다.

또한, 본 실시형태에 있어서는 축선(CL1)을 따르는 후단측 몸통부(10)의 길이가 비교적 길게(예를 들면, 30㎜ 이상) 되어 있으며, 그에 따라, 축선(CL1)을 따르는 단자전극(6)의 다리부(6A)의 길이(A)가 35㎜ 이상으로 비교적 길게 되어 있다.

또한 상기 단자전극(6)의 머리부(6B)는 소형화되어 있으며, 나아가서는 단자전극(6)의 중심(重心)이 상기 절연애자(2)(축구멍(4))의 내부에 위치하도록 설정되어 있다. 본 실시형태에서는 단자전극(6)의 중심은 축선(CL1)을 따라서 절연애자(2)의 후단으로부터 5㎜ 이상 선단측에 위치하도록 설정되어 있다.

또한, 단자전극(6)은 도전성을 가지는 고경도 합금(예를 들면, 크롬 몰리브덴강)에 의하여 형성되어 있다. 이것에 의하여, 단자전극(6)의 경도는 비커스 경도로 150Hv 이상으로 되어 있다. 또한, 단자전극(6)의 경도는 다음과 같이 하여 구할 수 있다. 즉, 단자전극(6)을 축선(CL1)을 포함하는 임의의 면에서 단면으로 한다. 또한, 축선(CL1) 상에 있어서의 단자전극(6)의 단면의 경도를 머리부(6B)에서 다리부(6A)의 선단부까지의 사이에 있어서 등간격으로 다섯 부분을 측정한다. 그리고, 얻어진 다섯 부분의 경도의 평균치를 산출함으로써, 단자전극(6)의 경도를 구할 수 있다. 또한, 경도계로서는 미츠토요제 경도계 AAV-501을 이용할 수 있으며, 압자로서는 정사각뿔형 다이아몬드 압자를 이용할 수 있다. 또, 상기한 경도계에 있어서, 시험력은 자동(예를 들면, 980mN)으로 하면 좋다.

또한 상기 머리부(6B)는 소형화에 의해, 그 중량이 0.8g 이하로 되어 있다. 또한, 머리부(6B)의 축선(CL1)을 따르는 길이는 5㎜ 이하로 되어 있다. 또한, 본 실시형태의 스파크 플러그(1)에 있어서는 축선(CL1)을 따르는 금속쉘(3)의 후단에서 단자전극(6)의 후단까지의 길이가, 축선(CL1)을 따르는 전체 길이가 같은 정도의 종전의 스파크 플러그와 거의 동등한 것으로 되어 있다. 한편, 본 실시형태의 스파크 플러그(1)는 머리부(6B)의 길이가 5㎜ 이하로 비교적 짧게 되어 있기 때문에, 축선(CL1)을 따르는 전체 길이가 같은 정도의 종전의 플러그와 비교하여, 후단측 몸통부(10)가 보다 길게 되어 있다.

또한 상기 나사부(15)의 나사지름이 비교적 소경화되어 있는 것에 수반하여, 절연애자(2)도 소경화되어 있다. 본 실시형태에서는 후단측 몸통부(10)의 외경(D)이 9㎜ 이하로 되어 있으며, 후단측 몸통부(10)의 두께는 비교적 얇은 것으로 되어 있다.

아울러, 본 실시형태에서는 상기 단자전극(6)의 머리부(6B)의 후단면이 평탄형상으로 형성되어 있다. 그리고, 도 2에 나타낸 바와 같이 단자전극(6)에 전력 공급용의 플러그 캡(41)을 부착할 때, 통전 경로가 되는 코일 스프링(42)의 선단부가 머리부(6B)의 후단면에 대해서 접촉하게 되어 있다.

이어서, 상기와 같이 구성되어서 이루어지는 스파크 플러그(1)의 제조방법에 대해 설명한다.

우선, 금속쉘(3)을 미리 가공해 둔다. 즉, 원기둥형상의 금속 소재(예를 들면 'S17C'나, 'S25C'의 철계 소재나, 스테인리스 소재)를 냉간 단조 가공에 의하여 관통구멍을 형성하여, 개형(槪形)을 제조한다. 그 후, 절삭 가공을 시행함으로써 외형을 조정하여 금속쉘 중간체를 얻는다.

이어서, 상기 금속쉘 중간체의 선단면에 곧은 봉형상의 접지전극(27)을 저항용접한다. 상기 용접시에는 이른바 웰딩 드루프(welding doop)가 발생하므로, 상기 웰딩 드루프를 제거한 후, 금속쉘 중간체의 소정 부위에 나사부(15)가 전조에 의해서 형성된다. 이것에 의하여, 접지전극(27)이 용접된 금속쉘(3)을 얻을 수 있다. 또, 접지전극(27)이 용접된 금속쉘(3)에는 아연 도금 혹은 니켈 도금이 시행된다. 또한, 내식성 향상을 도모하기 위하여, 그 표면에 크로메이트 처리를 실시하는 것으로 해도 좋다.

한편, 상기 금속쉘(3)과는 별도로 절연애자(2)를 성형 가공해 둔다. 예를 들면, 알루미나를 주체로 하고 바인더 등을 포함한 원료 분말을 이용하여 성형용 소지 조립물(造粒物)을 조제(調製)하고, 이것을 이용하여 러버 프레스 성형을 실시함으로써, 통형상의 성형체를 얻을 수 있다. 그리고, 얻은 성형체에 대하여, 연삭가공을 시행하여 외형을 정형(整形)한 다음, 소성가공을 실시함으로써 절연애자(2)가 얻어진다.

또, 상기 금속쉘(3), 절연애자(2)와는 별도로 중심전극(5)을 제조해 둔다. 즉, 중앙부에 방열성 향상을 도모하기 위한 구리합금 등을 배치한 Ni합금을 단조 가공하여 중심전극(5)을 제작한다. 이어서, 중심전극(5)의 선단부에 대해서 귀금속 팁(31)이 레이저 용접에 의하여 접합된다.

또한 크롬 몰리브덴강 등의 고경도 합금으로 이루어지는 봉형상 부재에 단조 가공이나 절삭 가공을 시행함으로써, 다리부(6A) 및 머리부(6B)를 구비하여 이루어지는 단자전극(6)을 제작하여 둔다.

그리고, 상기와 같이 하여 얻은 절연애자(2) 및 중심전극(5)과 저항체(7)와 단자전극(6)이 유리 밀봉층(8,9)에 의해서 밀봉되어 고정된다. 유리 밀봉층(8,9)으로서는 일반적으로 붕규산 유리와 금속 분말이 혼합되어 조제되어 있으며, 상기 조제된 것으로 저항체(7)를 사이에 두고서 절연애자(2)의 축구멍(4) 내에 주입한 후, 후측으로부터 상기 단자전극(6)을 눌러 붙인 상태로 소성로 내에서 구워 굳힌다. 또한, 이 때, 절연애자(2)의 후단측 몸통부(10)의 표면에 유약층이 동시에 소성되는 것으로 하여도 좋고, 사전에 유약층이 형성되는 것으로 하여도 좋다. 또, 소성로 내에서 가열됨으로써, 단자전극(6)의 경도는 약간 저하하게 되지만, 가열 후에 있어서도, 단자전극(6)은 비커스 경도로 150Hv 이상의 경도를 가진다.

그 후, 상기와 같이 각각 제작된 중심전극(5) 및 단자전극(6)을 구비하는 절연애자(2)와, 접지전극(27)을 구비하는 금속쉘(3)이 조립된다. 보다 상세하게는 비교적 두께가 얇게 형성된 금속쉘(3)의 후단측의 개구부를 지름방향 내측으로 코킹하는 것, 즉 상기 코킹부(20)를 형성하는 것에 의해서 고정된다.

그리고 마지막으로, 접지전극(27)의 대략 중간 부분을 굴곡시킴으로써, 상기 불꽃 방전 간극(33)의 크기를 조정하는 가공이 실시되어 상기한 스파크 플러그(1)를 얻을 수 있다.

이상 상기한 것처럼, 본 실시형태에 의하면, 단자전극(6)의 중심(重心)위치가 절연애자(2)(축구멍(4))의 내부에 위치하고 있으며, 단자전극(6)의 중심부분이 축구멍(4)의 외주면에 의해서 지지됨과 아울러, 축선(CL1)을 따르는 다리부(6A)의 선단에서 중심위치까지의 거리가 비교적 짧게 되어 있다. 따라서, 내연기관 등의 동작에 수반하여, 다리부(6A)의 선단부를 기점으로 단자전극(6)이 진동할 때에 있어서, 다리부(6A)에 대해서 가해지는 응력을 비약적으로 저감시킬 수 있다. 그 결과, 단자전극(6)의 절손을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

또한 단자전극(6)의 절손을 방지하면서, 다리부(6A)의 길이(A)를 35㎜ 이상으로 할 수 있기 때문에, 절연애자(2)의 후단측 몸통부(10)를 보다 긴 것으로 할 수 있다. 이것에 의하여, 스파크 플러그(1)에 대한 공급전압을 증대시켰다고 하여도, 절연애자(2)(후단측 몸통부(10)) 표면을 타고 흐르는 단자전극(6)에서 금속쉘(3)에 대한 전류의 리크를 보다 확실하게 방지할 수 있으며, 방전이상에 의한 실화를 보다 확실하게 억제할 수 있다.

또한, 단자전극(6)의 머리부(6B)가 절연애자의 후단으로부터 노출되어 있기 때문에, 전력 공급용의 플러그 캡(41)과 머리부(6B) 사이를 보다 확실하게 전기적으로 접속할 수 있다. 따라서, 스파크 플러그(1)에 대하여 보다 확실하게 전압을 인가할 수 있어 방전 이상의 발생을 보다 확실하게 억제할 수 있다.

아울러, 단자전극(6)은 비커스 경도로 150Hv 이상으로 충분하게 큰 강도를 가지기 때문에, 내(耐)절손성의 향상을 더욱 도모할 수 있다.

또, 본 실시형태에 있어서는 단자전극(6)의 머리부(6B)의 무게가 0.8g 이하로 되어 있기 때문에, 진동에 의하여 다리부(6A)로부터 절연애자(2)로 가해지는 충격을 저감시킬 수 있다. 이것에 의하여, 후단측 몸통부(10)의 외경(D)이 9㎜ 이하로 소경화 된 절연애자(2)이어도, 그 파손을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

또한, 축선(CL1)을 따르는 머리부의 길이가 5㎜ 이하로 짧게 되어 있기 때문에, 진동에 수반하는 절연애자(2)의 파손을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

또한, 본 실시형태의 스파크 플러그(1)는 후단측 몸통부(10)가 비교적 긺에도 불구하고, 상기한 바와 같이, 축선(CL1)을 따르는 금속쉘(3)의 후단에서 단자전극(6)의 후단까지의 길이가, 축선(CL1)을 따르는 전체 길이가 같은 정도인 종전의 스파크 플러그와 거의 동등한 것으로 되어 있다. 따라서, 종래 사용되고 있던 플러그 캡 등을 그대로 사용하는 것이 가능하다.

이어서, 상기 실시형태에 의해서 얻을 수 있는 작용효과를 확인하기 위하여, 경도를 120Hv 혹은 150Hv로 함과 아울러, 머리부의 크기를 여러가지로 변경함으로써 중심위치를 여러가지로 변경한 단자전극을 가지는 스파크 플러그의 샘플을 복수 제작하여, 각 샘플에 대해 내(耐)충격시험을 실시하였다. 또한, 내충격시험의 개요는 다음과 같다. 우선, 도 3에 나타낸 바와 같이 바닥을 가지는 원통형상을 이루되, 측면에 플러그 부착용의 암 나사부(75)를 복수 가짐과 아울러, 상하 이동 가능하게 지지된 부시(72)와, 상측으로부터 하측을 향하여 상기 부시(72)에 힘을 가하는 스프링(73)과, 부시(72)의 저면에 접촉하는 복수의 캠(74)을 구비하여, 상기 캠(74)을 회전시킴으로써 상기 부시(72)를 상하로 이동할 수 있는 시험기(71)를 준비하였다(도면은 어디까지나 모식적인 것이다). 그리고, 상기 부시(72)의 암 나사부(75)에 샘플을 부착한 다음, 샘플의 단자전극에 걸리는 최대 가속도가 4000g가 되는 조건으로 부시(72)를 상하 이동시킴으로써, 단자전극에 절손이 발생할 때까지의 시간(절손시간)을 계측하였다.

도 4에 있어서, 단자전극의 중심위치와 절손시간과의 관계를 나타내는 그래프를 나타낸다. 또한, 도 4에 있어서는 단자전극의 경도를 120Hv로 한 샘플의 시험 결과를 "◆"으로 플롯하고, 단자전극의 경도를 150Hv로 한 샘플의 시험 결과를 "○"으로 플롯하였다. 또한 각 샘플 모두, 단자전극의 다리부의 길이를 45㎜로 하고, 절연애자의 후단측 몸통부의 외경을 10.5㎜로 하였다. 또한, 탄소강에 의하여 형성함으로써 단자전극의 경도를 120Hv로 하고, 크롬 몰리브덴강에 의하여 형성함으로써 단자전극의 경도를 150Hv로 하였다. 또한, 시험시간은 최대 60분으로 하여, 60분 경과 시에 단자전극의 절손이 확인되지 않았던 샘플에 대해서는 도 4에 있어서, 절손시간을 60분으로써 나타내 보였다. 또, 단자전극의 중심위치는 절연애자의 후단을 기준으로, 축선을 따라서 후단측을 +측으로 하고, 선단측을 -측으로 하여 나타내 보였다. 예를 들면, 단자전극의 중심이 축선을 따라서 절연애자의 후단으로부터 5㎜ 선단측에 위치하는 경우, 중심위치는 "-5㎜"가 된다.

도 4에 나타낸 바와 같이 중심위치를 0㎜보다도 크게 한 샘플, 즉, 단자전극의 중심이 절연애자의 외부에 위치하고 있는 샘플은 단자전극의 경도의 크기와 관계없이, 시험 개시부터 10분 미만으로 단자전극에 절손이 발생하는 것이 밝혀졌다. 이것은 단자전극의 중심부분(머리부)이 절연애자에 의해서 지지되지 않는 등의 요인에 의해, 단자전극의 머리부가 진동함으로써 다리부에 대해서 가해지는 응력이 현저하게 큰 것으로 되었기 때문이라고 생각할 수 있다.

이에 비하여, 중심위치를 0㎜ 이하로 한 샘플, 즉, 단자전극의 중심이 절연애자의 내부에 위치하고 있는 샘플은 시험 개시부터 10분을 경과한 시점에 있어서, 단자전극에 절손이 발생하지 않는 것을 알 수 있었다. 이것은 단자전극의 중심부분이 절연애자에 의하여 지지된 상태에 있고, 또, 다리부의 선단으로부터 단자전극의 중심위치가 비교적 접근하고 있었기 때문에, 진동에 수반하여 다리부에 가해지는 응력을 효과적으로 감소시킬 수 있던 것에 의한다고 생각할 수 있다.

또 특히, 단자전극의 경도를 150Hv로 한 샘플은 단자전극의 경도를 120Hv로 한 샘플과 비해서, 절손에 이르기까지의 시간이 길며, 더욱 뛰어난 내절손성을 가지는 것이 밝혀졌다.

또한 중심위치를 -5㎜ 이하로 한 샘플은 단자전극의 경도를 120H로 한 것이라도, 60분간에 걸쳐서 진동을 계속 가했음에도 불구하고, 단자전극에 절손이 발생하지 않는 것이 확인되었다.

이상, 상기 시험의 결과를 감안하여, 진동에 수반하는 단자전극의 절손을 방지하기 위하여, 단자전극의 중심이 절연애자의 내부에 위치하는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 또, 단자전극의 절손을 보다 확실하게 방지한다는 관점에서, 단자전극의 경도를 150Hv 이상으로 하거나, 단자전극의 중심을 축선을 따라서 절연애자의 후단으로부터 5㎜ 이상 선단측에 위치하는 것이 보다 바람직하다고 할 수 있다.

이어서, 단자전극의 머리부의 축선을 따르는 길이를 5㎜ 혹은 8㎜로 한 다음, 머리부의 중량을 여러가지로 변경한 스파크 플러그의 샘플을 복수 제작하여, 각 샘플에 대해 상기 내충격시험을 실시하여, 절연애자에 파손이 발생할 때까지의 시간(파손 시간)을 계측하였다. 도 5에 있어서, 각 샘플에 대한 내충격시험의 결과를 나타낸다. 또한, 도 5에 있어서는 머리부의 길이를 5㎜로 한 샘플의 시험 결과를 "○"으로 플롯하고, 머리부의 길이를 8㎜로 한 샘플의 시험 결과를 "◆"으로 플롯하였다. 또, 각 샘플 모두, 절연애자의 후단측 몸통부의 외경을 9㎜로 하고, 단자전극의 다리부의 길이를 45㎜로 하고, 단자전극의 경도를 150Hv로 하였다. 또한, 단자전극의 중심위치를 -5㎜ 이하로 하였다. 또한 시험시간은 60분으로 하여, 60분 경과 시에 절연애자의 파손이 확인되지 않았던 샘플은 도 5에 있어서의 파손 시간을 60분으로 하였다.

도 5에 나타낸 바와 같이 머리부의 길이를 5㎜로 한 샘플은 머리부의 길이를 8㎜로 한 샘플과 비교하여, 파손 시간을 보다 길게 할 수 있다, 환언하면, 절연애자에 파손이 발생하기 어려운 것을 알 수 있었다. 이것은 머리부의 길이를 비교적 짧게 함으로써, 진동에 수반하여 단자전극의 다리부로부터 절연애자로 가해지는 충격을 저감시킬 수 있었기 때문이라고 생각할 수 있다.

또, 머리부의 중량을 0.8g 이하로 한 샘플에 대해서는 머리부의 길이에 관계없이, 시험 개시부터 60분 경과한 시점에 있어서, 절연애자에 파손이 발생하지 않는 것이 밝혀졌다.

이상, 상기 시험의 결과를 감안하여, 진동에 수반하는 절연애자의 파손을 방지하기 위하여, 축선을 따르는 머리부의 길이를 5㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 또, 절연애자의 파손을 보다 확실하게 방지한다고 하는 관점으로부터, 머리부의 무게를 0.8g 이하로 하는 것이 보다 바람직하다고 할 수 있다.

또한, 상기 실시형태의 기재 내용으로 한정하지 않고, 예를 들면 다음과 같이 실시하여도 좋다. 물론, 이하에 있어서 예시하지 않은 다른 응용예, 변경예도 당연 가능하다.

(a) 상기 실시형태에서는 단자전극(6)의 머리부(6B)의 후단면은 평탄형상으로 형성되어 있지만, 도 6에 나타낸 바와 같이 머리부(62B)에 축선(CL1)방향 후단측을 향하여 돌출되는 돌기부(62C)를 형성하고, 상기 돌기부(62C)를 코일 스프링(42)의 선단부에 삽입하는 것으로 하여도 좋다. 이 경우에는 머리부(62B)에 대한 코일 스프링(42)의 어긋남을 방지할 수 있으므로 마모에 의한 금속가루의 발생 등을 효과적으로 방지할 수 있다.

(b) 상기 실시형태에서는 단자전극(6)의 머리부(6B)가 축선(CL1)을 따르는 단면에 있어서 직사각형상을 이루도록 구성되어 있지만, 단자전극(6)의 머리부(6B)의 형상은 이것으로 한정되는 것은 아니다. 따라서, 예를 들면, 도 7(a)에 나타낸 바와 같이 머리부(63B)의 후단면이 만곡면(彎曲面)형상을 이루도록 하여 단자전극(63)을 구성하는 것으로 하여도 좋고, 도 7(b)에 나타낸 바와 같이 머리부(64B)가 단면 사다리꼴 형상을 이루도록 하여 단자전극(64)을 구성하는 것으로 하여도 좋다.

(c) 상기 실시형태에서는 단자전극(6)을 구성하는 금속재료로서 크롬 몰리브덴강을 예시하고 있지만, 단자전극(6)을 다른 도전성 금속재료에 의하여 구성하는 것으로 하여도 좋다.

(d) 상기 실시형태에서는 특별히 기재하고 있지는 않지만, 후단측 몸통부(10)에 동심원(同心圓)형상의 요철(이른바 스플라인)을 형성하는 것으로 하여도 좋다. 이 경우에는 후단측 몸통부(10)의 표면을 따르는 전류의 리크(플래시 오버)를 보다 확실하게 방지할 수 있다. 또한, 스플라인을 형성하였을 때처럼 축선(CL1)을 따라서 후단측 몸통부(10)의 외경이 여러가지로 다른 경우에는 "후단측 몸통부(10)의 외경(D)"은, 후단측 몸통부(10)의 외경의 평균치를 의미한다.

(e) 상기 실시형태에서는 중심전극(5)의 선단부에 귀금속 팁(31)이 형성되어있지만, 귀금속 팁(31)을 생략하여 구성하는 것으로 하여도 좋다. 또한, 귀금속 팁(31)을 생략하여 구성하였을 경우, 불꽃 방전 간극(33)은 중심전극(5)의 선단부와 접지전극(27)의 선단측 측면 사이에 형성되게 된다.

(f) 상기 실시형태에 있어서는 나사부(15)의 나사지름이 M12 이하로 소경화 되어 있지만, 나사부(15)의 나사지름은 M12 이하로 한정되는 것은 아니다.

(g) 상기 실시형태에서는 공구 걸어맞춤부(19)는 단면 육각 형상으로 되어 있지만, 공구 걸어맞춤부(19)의 형상에 관해서는 이러한 형상으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, Bi-HEX(변형 12각) 형상〔ISO22977：2005(E)〕등으로 되어 있어도 좋다.

1 - 스파크 플러그
2 - 절연애자｛절연체｝
4 - 축구멍
6,62,63,64 - 단자전극
6A - 다리부
6B,62B,63B,64B - 머리부
62C - 돌기부
10 - 후단측 몸통부

Claims (6)

1. 축선방향으로 연장되는 축구멍을 가지는 절연체와,
   상기 축구멍의 후단측에 삽입되는 봉형상의 다리부 및 상기 절연체의 후단으로부터 노출되는 머리부를 구비하는 단자전극을 구비하고,
   상기 다리부의 선단부가 상기 절연체에 고정됨과 아울러, 상기 축선을 따르는 상기 다리부의 길이가 35㎜ 이상인 스파크 플러그로서,
   상기 단자전극의 중심(重心)이 상기 절연체의 축구멍 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 단자전극의 경도가 비커즈 경도로 150Hv 이상인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 단자전극의 중심이 상기 축선을 따라서 상기 절연체의 후단으로부터 5㎜ 이상 선단측에 위치하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 절연체의 후단측에 위치하는 후단측 몸통부의 외경이 9㎜ 이하이고,
   상기 단자전극의 머리부의 중량이 0.8g 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 절연체의 후단측에 위치하는 후단측 몸통부의 외경이 9㎜ 이하이고,
   상기 축선을 따르는 상기 단자전극의 머리부의 길이가 5㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
   
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 단자전극의 머리부에 상기 축선방향 후단측을 향하여 돌출되는 돌기부를 형성한 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
   

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