KR101861454B1

KR101861454B1 - 스파크 플러그

Info

Publication number: KR101861454B1
Application number: KR1020167017411A
Authority: KR
Inventors: 게이지 오제키
Original assignee: 니뽄 도쿠슈 도교 가부시키가이샤
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2015-01-13
Publication date: 2018-05-28
Also published as: EP3098913A1; EP3098913A4; JP5798203B2; US9660423B2; CN105874664B; WO2015111381A1; JP2015138749A; EP3098913B1; KR20160093661A; CN105874664A; US20160329688A1

Abstract

단자 금구와 절연체 간의 편심량을 작게 억제한다. 스파크 플러그는, 절연체와 단자 금구와 주체 금구를 구비한다. 주체 금구의 후단에 있어서의 절연체의 외경이 8 ㎜ 이하이고, 절연체의 평탄부와 단자 금구의 접촉면의 접촉 면적이 10 ㎟ 미만이다.

Description

스파크 플러그{SPARK PLUG}

본 발명은, 스파크 플러그에 관한 것이다.

일반적으로 스파크 플러그는, 그 선단측 (先端側) 에 중심 전극과 접지 전극을 갖고, 그 후단측 (後端側) 에 전력의 공급을 받기 위한 단자 금구를 가지고 있다. 단자 금구는, 절연체의 축구멍에 유지되고, 절연체의 후단으로부터 돌출되어 있다. 절연체는, 주체 금구의 내부에 수용되어 유지되고 있다. 절연체의 후단에는 평탄부가 형성되어 있고, 단자 금구의 단차부 (段差部) 의 접촉면이 절연체의 평탄부에 접촉한다.

단자 금구는, 가열 봉착 (封着) 공정에 의해 절연체의 축구멍 내에 고정된다. 이 가열 봉착 공정에서는, 절연체의 선단부를 하방을 향한 상태에서, 최초로 중심 전극이 절연체의 축구멍의 선단부에 삽입되고, 다음으로 저항체 분말과 도전성 시일 분말이 충전된 후, 단자 금구가 절연체의 후단측으로 돌출된 상태에서 삽입된다. 그리고, 단자 금구를 하방으로 가압하면서, 저항체 분말과 도전성 시일 분말을 가열해 연화시킨 후에 냉각해 고화시킴으로써, 절연체의 축구멍 내에 중심 전극과 단자 금구가 봉착되어 고정된다. 이렇게 해 중심 전극과 단자 금구가 고정된 절연체는, 크림핑 공정에 의해 주체 금구에 고정된다. 이 크림핑 공정에서는, 주체 금구의 후단에 설치된 피크림핑부가 크림핑됨과 함께 주체 금구의 피좌굴부가 좌굴되고, 이 결과 주체 금구와 절연체가 강고하게 걸어맞춰진다. 또한, 이 크림핑 공정에서는, 절연체를 올바른 위치로 유지하기 위해, 누름 지그에 의해 후단의 단자 금구를 누른 상태에서 크림핑 가공이 실행된다.

또, 스파크 플러그에 관해서는, 플래시오버 (절연체 표면을 돌아들어가 단자 금구와 주체 금구 사이에서 발생하는 연면 방전) 의 억제나, 절연체의 파손 방지 등에 관해 여러 가지 연구가 이루어지고 있다 (특허문헌 1 ∼ 3).

일본 공개특허공보 2003-45609호 일본 공개특허공보 2013-16295호 일본 공개특허공보 2013-131375호

최근에는, 내연기관의 설계 자유도 향상 등을 목적으로 해, 스파크 플러그의 소형화나 소경화가 요구되고 있다. 스파크 플러그의 소경화에 수반해, 절연체의 두께가 감소하므로 절연체의 강도가 저하한다는 문제가 있고, 또 스파크 플러그의 각 부에 대해 보다 높은 치수 정밀도나 보다 높은 조립 정밀도가 요구된다. 스파크 플러그의 조립 정밀도 중에서, 특히 상기 서술한 가열 봉착 공정 후의 단자 금구와 절연체 간의 편심량이 중요하다. 즉, 단자 금구와 절연체 간의 편심량이 커지면, 상기 서술한 크림핑 공정에 있어서 필요로 되는 조립 정밀도를 만족할 수 없게 될 가능성이 있다. 보다 구체적으로는, 단자 금구와 절연체 간의 편심량이 큰 경우에는, 크림핑 공정에 있어서 누름 지그가 단자 금구를 (나아가서는 절연체를) 올바른 위치에 유지할 수 없게 되어, 주체 금구에 대해 절연체가 대폭적으로 치우친 상태에서 고정되어 버릴 가능성이 있다.

또, 단자 금구와 절연체 간의 편심량이 커지면, 플래시오버가 발생하기 쉬워진다는 과제도 있다. 즉, 절연체 머리부 (절연체의 후단) 에는, 단자 금구의 단차부의 접촉면과 접촉하는 평탄부가 형성되어 있다. 절연체 머리부의 평탄부의 외경은 단자 금구의 외경보다 크게 되어 있고, 플래시오버를 억제하는 기능을 가지고 있다. 그러나, 단자 금구와 절연체 간의 편심량이 큰 경우에는, 절연체 머리부의 평탄부의 외경이 실질적으로 작은 것과 등가의 조립 형상이 되어 버리므로, 플래시오버가 발생하기 쉬워진다는 문제가 발생한다.

본 발명은, 상기 서술한 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 이하의 형태로서 실현할 수 있다.

(1) 본 발명의 일형태에 의하면, 축선 방향으로 연장되는 축구멍과 후단에 위치하는 평탄부를 갖는 절연체와, 상기 축구멍의 후단에 배치되고, 상기 평탄부에 접촉하는 접촉면을 갖는 단자 금구와, 상기 절연체를 내부에 유지하는 통상의 주체 금구를 구비하는 스파크 플러그가 제공된다. 이 스파크 플러그는, 상기 주체 금구의 후단에 있어서의 상기 절연체의 외경이, 8 ㎜ 이하이고, 상기 절연체의 상기 평탄부와 상기 단자 금구의 상기 접촉면의 접촉 면적이, 10 ㎟ 미만인 것을 특징으로 한다. 이 스파크 플러그에 의하면, 절연체의 평탄부와 단자 금구의 접촉면의 접촉 면적이 10 ㎟ 미만이므로, 단자 금구와 절연체 간의 편심량을 작게 억제할 수 있다. 특히, 주체 금구의 후단에 있어서의 상기 절연체의 외경이 8 ㎜ 이하인 경우에는, 단자 금구와 절연체 간의 편심량이 스파크 플러그의 조립 정밀도나 성능 (플래시오버 등) 에 주는 영향이 크기 때문에, 단자 금구와 절연체 간의 편심량을 작게 억제하는 것에 의한 효과가 현저하다.

(2) 상기 스파크 플러그에 있어서, 상기 접촉 면적이, 8 ㎟ 미만인 것으로 해도 된다.

이 구성에 의하면, 단자 금구와 절연체 간의 편심량을 더 작게 억제할 수 있다.

(3) 상기 스파크 플러그에 있어서, 상기 접촉 면적이, 5 ㎟ 미만인 것으로 해도 된다.

(4) 상기 스파크 플러그에 있어서, 상기 접촉 면적이, 2.3 ㎟ 이상인 것으로 해도 된다.

이 구성에 의하면, 가열 봉착 공정에 의해 단자 금구를 절연체의 축구멍 내에 고정시킬 때에, 절연체의 머리부가 파손될 가능성을 저감할 수 있다.

(5) 상기 스파크 플러그에 있어서, 상기 단자 금구는, 상기 접촉면의 후단에 인접하고, 상기 축선 방향의 후단측을 향해 상기 단자 금구의 외경을 점증시킨 후에 점감시킨 장출부를 갖고, 상기 장출부의 최대 외경과, 상기 장출부의 후단에 있어서의 상기 단자 금구의 외경의 차가, 0.2 ㎜ 이하인 것으로 해도 된다. 이 구성에 의하면, 플래시오버 개시 전압을 높일 수 있으므로, 플래시오버의 발생을 억제할 수 있다.

(6) 상기 스파크 플러그에 있어서, 상기 축선 방향을 따라 상기 절연체의 상기 평탄부로부터 상기 단자 금구의 상기 장출부의 최대 외경의 위치까지 측정한 거리 (t) 와, 상기 장출부의 상기 축선 방향에 걸친 폭 (T) 이, t ＞ T/2 의 관계를 갖는 것으로 해도 된다. 이 구성에 의하면, 플래시오버 개시 전압을 더욱 높일 수 있으므로, 플래시오버의 발생을 더욱 억제할 수 있다.

(7) 상기 스파크 플러그에 있어서, 상기 주체 금구의 후단보다 후단측에 있어서의 상기 절연체의 외경 형상은, 상기 주체 금구의 후단측에 인접하고 외경이 일정한 기둥상부와, 상기 기둥상부의 후단측에 인접하고 상기 평탄부에 이를 때까지 외경이 점감하는 후단 직경 감소부로 구성되어 있는 것으로 해도 된다. 이 구성에서는, 절연체에 코루게이션이 형성되어 있지 않기 때문에 플래시오버가 발생하기 쉬운 경향이 있지만, 상기 서술한 특징을 채용함으로써 단자 금구와 절연체 간의 편심량을 작게 억제할 수 있어, 플래시오버의 발생을 억제할 수 있다.

또한 본 발명은, 여러 가지 양태로 실현할 수 있다. 예를 들어, 스파크 플러그, 스파크 플러그의 제조 방법 등의 형태로 실현할 수 있다.

도 1 은 일실시형태로서의 스파크 플러그를 나타내는 부분 단면도이다.
도 2 는 단자 금구와 절연체를 확대해 나타내는 설명도이다.
도 3 은 도 2 의 형상을 갖는 샘플 S03 의 치수를 나타내는 설명도이다.
도 4 는 제 1 비교예의 샘플 C01 의 형상과 치수를 나타내는 설명도이다.
도 5 는 제 2 비교예의 샘플 C02 의 형상과 치수를 나타내는 설명도이다.
도 6 은 각종 샘플의 치수와 기계적 특성의 실험 결과를 나타내는 설명도이다.
도 7 은 각 샘플에 대한 접촉 면적 (Rc) 과 단자 편심량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8 은 단자 금구의 장출부의 직경차 (S) 및 폭 (T) 과, 플래시오버 개시 전압의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 1 은, 본 발명의 일실시형태로서의 스파크 플러그 (100) 를 나타내는 부분 단면도이다. 이하에서는, 도 1 에 나타내는 축선 방향 (OD) 을 상하 방향으로 정의하고, 하측을 스파크 플러그의 선단측, 상측을 후단측으로 정의해 설명한다. 이 스파크 플러그 (100) 는, 절연체 (10) 와, 중심 전극 (20) 과, 접지 전극 (30) 과, 단자 금구 (40) 와, 주체 금구 (50) 를 구비하고 있다. 절연체 (10) 는, 축선 (O) 을 따라 연장되는 축구멍 (12) 을 가지고 있다. 중심 전극 (20) 은, 축선 (O) 를 따라 연장되는 막대상의 전극이고, 절연체 (10) 의 축구멍 (12) 내에 삽입된 상태로 유지되고 있다. 주체 금구 (50) 는, 절연체 (10) 의 외주를 둘러싸는 통상의 부재이고, 절연체 (10) 를 내부에 고정하고 있다.

접지 전극 (30) 은, 일단이 주체 금구 (50) 의 선단에 고정되고, 타단이 중심 전극 (20) 과 대향하는 전극이다. 단자 금구 (40) 는, 전력의 공급을 받기 위한 단자이고, 중심 전극 (20) 에 전기적으로 접속되어 있다. 스파크 플러그 (100) 가 엔진 헤드 (200) 에 장착된 상태에서, 단자 금구 (40) 와 엔진 헤드 (200) 사이에 고전압이 인가되면, 중심 전극 (20) 과 접지 전극 (30) 사이에 불꽃 방전이 발생한다.

절연체 (10) 는, 세라믹스 (예를 들어 알루미나) 에 의해 형성되어 있고, 축선 방향 (OD) 로 연장되는 축구멍 (12) 이 형성되어 있다. 절연체 (10) 의 축선 방향 (OD) 의 대략 중앙에는, 외경이 가장 큰 플랜지부 (19) 가 형성되어 있다. 플랜지부 (19) 보다 후단측에는, 후단측 몸통부 (18) 가 형성되어 있다. 이 후단측 몸통부 (18) 는, 외경이 거의 일정한 부분이고, 「기둥상부」 또는 「절연체 마크부」라고도 부른다. 「절연체 마크부」라고 부르는 이유는, 이 부분에 문자 등의 마크가 형성되기 때문이다. 후단측 몸통부 (18) 의 가장 후단측에는, 외경이 감소하는 후단 직경 감소부 (18t) 가 형성되어 있다. 후단 직경 감소부 (18t) 에 이어서, 절연체 (10) 의 후단에는 평탄부 (11) 가 형성되어 있다. 이 평탄부 (11) 는, 단자 금구 (40) 의 접촉면 (후술) 과 접촉하는 부분이고, 축선 방향 (OD) 에 수직인 평면이다. 또한, 이 스파크 플러그 (100) 의 절연체 (10) 에는, 코루게이션이 형성되어 있지 않다. 즉, 주체 금구 (50) 의 후단보다 후단측에 있어서의 절연체 (10) 의 외경 형상은, 주체 금구 (50) 의 후단측에 인접하고 외경이 일정하게 유지되는 부분 (후단측 몸통부 (18) 즉 기둥상부 (18)) 과, 후단측 몸통부 (18) 의 후단측에 인접하고 평탄부 (11) 에 이를 때까지 외경이 감소하는 부분 (후단 직경 감소부 (18t)) 으로만 형성되어 있다. 바꾸어 말하면, 절연체 (10) 는, 주체 금구 (50) 의 후단보다 후단측에 있어서, 절연체 (10) 의 외경이 한번도 증가하지 않고, 단조 감소하도록 형성되어 있다. 절연체 (10) 가 이와 같이 형성되어 있는 이유는, 스파크 플러그 (100) 의 소경화 요청에 따라 절연체 (10) 의 외경을 작게 했기 때문에, 코루게이션 (축선 방향을 따른 요철) 을 형성하면 절연체 (10) 의 두께가 과도하게 작아져 강도가 저하되기 때문이다. 또한 코루게이션은, 플래시오버의 발생을 억제하는 효과가 있다. 코루게이션이 없는 스파크 플러그 (100) 에서는 플래시오버가 발생하기 쉽기 때문에, 후술하는 플래시오버 대책이 더욱 중요해진다.

절연체 (10) 의 노출 길이 (L) 는, 주체 금구 (50) 의 후단 위치로부터 절연체 (10) 후단의 평탄부 (11) 까지에 걸친 절연체 (10) 의 축선 방향 (OD) 를 따른 길이이다. 이 노출 길이 (L) 가 충분히 긴 경우에는 플래시오버가 발생하기 어렵고, 반대로 노출 길이 (L) 가 짧은 경우에는 플래시오버가 발생하기 쉽다. 예를 들어, 절연체 (10) 의 노출 길이 (L) 가 28 ㎜ 이상인 경우에는, 플래시오버의 발생을 충분히 억제할 수 있다 (상기 서술한 특허문헌 3 참조). 한편, 절연체 (10) 의 노출 길이 (L) 가 28 ㎜ 미만인 경우에는, 플래시오버가 발생하기 쉬운 경향이 있으므로, 후술하는 플래시오버 대책이 더욱 중요해진다.

절연체 (10) 의 중앙에 있는 플랜지부 (19) 보다 선단측에는, 후단측 몸통부 (18) 보다 외경이 작은 선단측 몸통부 (17) 가 형성되어 있다. 선단측 몸통부 (17) 보다 더 선단측에는, 제 1 원기둥부 (13) 와, 테이퍼부 (14) 와, 제 2 원기둥부 (15) 가 형성되어 있다. 테이퍼부 (14) 의 외경은, 선단측에 근접함에 따라 작아지고 있다. 스파크 플러그 (100) 가 내연기관의 엔진 헤드 (200) 에 장착된 상태에서는, 테이퍼부 (14) 및 제 2 원기둥부 (15) 는, 내연기관의 연소실 내에 노출된다. 제 1 원기둥부 (13) 와 선단측 몸통부 (17) 사이에는 외주측 단부 (段部)(16) 가 형성되어 있다.

중심 전극 (20) 은, 절연체 (10) 의 축구멍 (12) 내에 배치되고, 후단측으로부터 선단측을 향해 연장된 막대상 부재이다. 중심 전극 (20) 의 선단은, 절연체 (10) 의 선단측에 있어서 노출되어 있다. 본 실시형태에서는, 중심 전극 (20) 은, 전극 모재 (21) 의 내부에 심재 (22) 가 매설된 구조를 가지고 있다.

절연체 (10) 의 축구멍 (12) 내 중, 중심 전극 (20) 의 후단측에는, 시일체 (4) 및 세라믹 저항 (3) 이 형성되어 있다. 중심 전극 (20) 은, 시일체 (4) 및 세라믹 저항 (3) 을 개재하여, 단자 금구 (40) 에 전기적으로 접속되어 있다.

주체 금구 (50) 는, 저탄소강재에 의해 형성된 통상 금구이고, 절연체 (10) 를 내부에 유지하고 있다. 절연체 (10) 의 후단측 몸통부 (18) 의 일부로부터 제 2 원기둥부 (15) 의 일부에 걸친 부위는, 주체 금구 (50) 에 의해 둘러싸여 있다.

주체 금구 (50) 의 외주에는, 공구 걸어맞춤부 (51) 와, 나사부 (52) 가 형성되어 있다. 공구 걸어맞춤부 (51) 는, 스파크 플러그 렌치 (도시 생략) 가 끼워 맞춰지는 부위이다. 주체 금구 (50) 의 나사부 (52) 는, 나사산이 형성된 부위이고, 내연기관의 엔진 헤드 (200) 의 장착 나사 구멍 (201) 에 나사 결합한다. 스파크 플러그 (100) 는, 주체 금구 (50) 의 나사부 (52) 를 엔진 헤드 (200) 의 장착 나사 구멍 (201) 에 나사 결합시키고 조임으로써, 내연기관의 엔진 헤드 (200) 에 고정된다.

주체 금구 (50) 의 공구 걸어맞춤부 (51) 와 나사부 (52) 사이에는, 직경 방향 외측으로 돌출된 플랜지상의 플랜지부 (54) 가 형성되어 있다. 나사부 (52) 와 플랜지부 (54) 사이의 나사목 (59) 에는, 환상의 개스킷 (5) 이 끼워져 있다. 개스킷 (5) 은, 판체를 절곡시킴으로써 형성되어 있고, 스파크 플러그 (100) 가 엔진 헤드 (200) 에 장착되었을 때에는, 플랜지부 (54) 의 베어링면 (55) 과 장착 나사 구멍 (201) 의 개구 둘레가장자리부 (205) 사이에서 눌려 찌그러져 변형된다. 이 개스킷 (5) 의 변형에 의해, 스파크 플러그 (100) 와 엔진 헤드 (200) 의 간극이 봉지되고, 장착 나사 구멍 (201) 을 통한 연소 가스의 누출이 억제된다.

주체 금구 (50) 의 공구 걸어맞춤부 (51) 보다 후단측에는, 얇은 피크림핑부 (53) 가 형성되어 있다. 또, 플랜지부 (54) 와 공구 걸어맞춤부 (51) 사이에는, 얇은 피좌굴부 (58) 가 형성되어 있다. 주체 금구 (50) 의 공구 걸어맞춤부 (51) 로부터 피크림핑부 (53) 에 걸친 내주면과, 절연체 (10) 의 후단측 몸통부 (18) 의 외주면 사이에는, 원환상의 링 부재 (6, 7) 가 삽입되어 있다. 또한 양 링 부재 (6, 7) 사이에는, 탤크 (활석)(9) 의 분말이 충전되어 있다. 스파크 플러그 (100) 의 제조 공정에 있어서, 피크림핑부 (53) 가 내측으로 절곡되어 크림핑되면, 피좌굴부 (58) 가 압축력의 부가에 수반해 외측을 향해 변형 (좌굴) 되고, 이 결과 주체 금구 (50) 와 절연체 (10) 가 고정된다. 탤크 (9) 는, 이 크림핑 공정 시에 압축되어, 주체 금구 (50) 와 절연체 (10) 간의 기밀성이 높아진다.

주체 금구 (50) 의 내주에는, 직경 방향 내측으로 돌출된 선반부 (57) 가 형성되어 있다. 주체 금구 (50) 의 선반부 (57) 와, 절연체 (10) 의 외주측 단부 (16) 사이에는, 환상의 판 패킹 (8) 이 설치되어 있다. 주체 금구 (50) 와 절연체 (10) 간의 기밀성은, 이 판 패킹 (8) 에 의해서도 확보되어, 연소 가스의 누출이 억제된다.

접지 전극 (30) 은, 주체 금구 (50) 의 선단에 접합된 전극이고, 내부식성이 우수한 합금에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하다. 접지 전극 (30) 과 주체 금구 (50) 의 접합은, 예를 들어 용접에 의해 실시된다. 접지 전극 (30) 의 선단부 (33) 는, 중심 전극 (20) 의 선단과 대향하고 있다.

단자 금구 (40) 에는, 플러그 캡 (도시 생략) 을 개재하여 고압 케이블 (도시 생략) 이 접속된다. 상기 서술한 바와 같이, 이 단자 금구 (40) 와 엔진 헤드 (200) 사이에 고전압이 인가되면, 접지 전극 (30) 과 중심 전극 (20) 사이에서 불꽃 방전이 발생한다.

도 2 의 (A) 는, 단자 금구 (40) 와 절연체 (10) 의 후단 부분을 확대해 나타내고 있고, 도 2 의 (B) 는, 단자 금구 (40) 와 절연체 (10) 를 분리한 상태를 나타내고 있다. 절연체 (10) 는, 도 1 로도 설명한 바와 같이 후단측 몸통부 (18) 와, 후단 직경 감소부 (18t) 와, 평탄부 (11) 를 가지고 있다. 단자 금구 (40) 는, 선단측의 소경부 (43) 와, 후단측의 대경부 (41) 를 가지고 있고, 이들 양자 사이에 접촉면 (42) 을 갖는 단차부가 형성되어 있다. 단자 금구 (40) 의 접촉면 (42) 은, 절연체 (10) 의 평탄부 (11) 와 면접촉하는 부분이다. 또, 접촉면 (42) 에 인접하는 후단측에는, 후단측을 향해 외경이 점증한 후에 점감하는 장출부 (44) 가 형성되어 있다. 장출부 (44) 를 「플랜지부」라고도 부른다. 또한, 단자 금구 (40) 를 절연체 (10) 의 축구멍 (12) 내에 삽입할 수 있도록 하기 위해서, 절연체 (10) 의 축구멍 (12) 의 내경은, 단자 금구 (40) 의 소경부 (43) 의 외경보다 약간 크게 형성되어 있다.

도 2 의 (C) 는, 절연체 (10) 의 후단에 있는 평탄부 (11) 의 근방을 확대해 나타내고 있다. 절연체 (10) 와 단자 금구 (40) 는, 단자 금구 (40) 의 접촉면 (42) 의 외경의 위치와, 절연체 (10) 의 평탄부 (11) 의 내경의 위치 사이의 원환상의 영역에 있어서 서로 면접촉한다.

도 3 은, 도 2 의 형상을 갖는 샘플 S03 의 치수를 나타내고 있다. 또한, 도 3 의 (A) 에서는, 도시의 편의상 해칭을 생략하고 있다. 샘플 S03 에서는, 단자 금구 (40) 의 대경부 (41) 의 외경 (D41) 은 5.4 ㎜ 이고, 절연체 (10) 의 후단측 몸통부 (18) 의 외경 (D18) 은 7.5 ㎜ 이다. 또, 단자 금구 (40) 의 접촉면 (42) 의 외경 (Do) 은 5.4 ㎜ 이고, 절연체 (10) 의 평탄부 (11) 의 내경 (Di) 은 4.9 ㎜ 이다. 절연체 (10) 와 단자 금구 (40) 가 면접촉하는 영역의 면적 (Rc) 은, 도 3 의 (B) 에 나타내는 바와 같이 단자 금구 (40) 의 접촉면 (42) 의 외경 (Do) 을 갖는 원의 면적으로부터, 절연체 (10) 의 평탄부 (11) 의 내경 (Di) 을 갖는 원의 면적을 감산한 값이다. 이 예에서는 접촉 면적 (Rc) 은 4.04 ㎟ 이다.

도 3 의 (C) 에서는, 장출부 (44) 에 관련된 치수가 도시되어 있다. 장출부 (44) 는, 단자 금구 (40) 의 접촉면 (42) 의 후단에 인접하고 있고, 축선 방향 (OD) 의 후단측을 향해 단자 금구 (40) 의 외경을 점증시키고 그 정점에 도달한 후에 외경을 점감시킨 부분이다. 장출부 (44) 의 최대 외경과, 장출부 (44) 의 후단에 있어서의 외경 (즉, 대경부 (41) 의 외경 (D41)) 의 차 (S)(이하, 「직경차 (S)」라고 부른다) 는, 장출부 (44) 의 최대 외경의 크기를 나타내는 지표이다. 장출부 (44) 의 직경차 (S) 가 큰 경우에는, 장출부 (44) 의 최대 외경 위치로부터 주체 금구 (50)(도 1) 를 향하는 연면 방전 (플래시오버) 이 발생하기 쉬워지므로, 장출부 (44) 의 직경차 (S) 는 작은 편이 바람직하다.

장출부 (44) 의 축선 방향 (OD) 에 걸친 폭 (T) 은, 장출부 (44) 의 하단과 상단 사이의 거리에 상당한다. 절연체 (10) 의 평탄부 (11) 로부터 단자 금구 (40) 의 장출부 (44) 의 최대 외경 위치까지 측정한 거리 (t) 는, 장출부 (44) 의 하단으로부터 최대 외경 위치까지의 거리에 상당한다. 장출부 (44) 의 폭 (T) 의 절반의 값 (T/2) 에 대한 거리 (t) 의 비 (t/(T/2)) 가 1 과 동일한 경우에는, 장출부 (44) 의 최대 외경 위치는 장출부 (44) 의 폭 (T) 의 중앙에 존재한다. 장출부 (44) 의 최대 외경 위치가 절연체 (10) 로부터 멀수록 플래시오버가 잘 발생하지 않기 때문에, 상기 서술한 비 (t/(T/2)) 의 값은 클수록 바람직하다. 장출부 (44) 의 형상에 관한 파라미터 t, T 에 관련된 실험 결과에 대해서는 후술한다.

도 4 는, 제 1 비교예로서의 샘플 C01 의 형상과 치수를 나타내는 설명도이다. 샘플 C01 에서는, 단자 금구 (40) 의 장출부 (44) 를 플랜지상 형상으로 형성함으로써, 단자 금구 (40) 의 접촉면 (42) 의 면적을 증대시키고 있다. 단자 금구 (40) 의 대경부 (41) 의 외경 (D41) 은 6.4 ㎜ 이고, 절연체 (10) 의 후단측 몸통부 (18) 의 외경 (D18) 은 9.0 ㎜ 이다. 또, 단자 금구 (40) 의 접촉면 (42) 의 외경 (Do) 은 7.1 ㎜ 이고, 절연체 (10) 의 평탄부 (11) 의 내경 (Di) 은 5.8 ㎜ 이다. 절연체 (10) 와 단자 금구 (40) 의 접촉 면적 (Rc) 은 13.17 ㎟ 이다. 또한, 이 샘플 C01 에서는, 절연체 (10) 에 코루게이션이 형성되어 있는 점에서도 도 3 의 샘플 S03 과 상이하다.

도 5 는, 제 2 비교예로서의 샘플 C02 의 형상과 치수를 나타내는 설명도이다. 샘플 C02 에 있어서도 샘플 C01 과 마찬가지로, 단자 금구 (40) 의 장출부 (44) 를 플랜지상 형상으로 형성하고 있다. 단, 샘플 C02 의 장출부 (44) 의 크기는, 샘플 C01 보다 작고, 도 3 의 샘플 S03 보다 크다. 이 샘플 C02 에 있어서, 단자 금구 (40) 의 대경부 (41) 의 외경 (D41) 은 5.4 ㎜ 이고, 절연체 (10) 의 후단측 몸통부 (18) 의 외경 (D18) 은 7.5 ㎜ 이다. 또, 단자 금구 (40) 의 접촉면 (42) 의 외경 (Do) 은 6.1 ㎜ 이고, 절연체 (10) 의 평탄부 (11) 의 내경 (Di) 은 4.9 ㎜ 이다. 절연체 (10) 와 단자 금구 (40) 의 접촉 면적 (Rc) 은 10.37 ㎟ 이다. 도 3 과 도 5 를 비교하면 알 수 있는 바와 같이, 도 5 의 샘플 C02 는, 도 3 의 샘플 S03 과 절연체 (10) 의 형상·치수는 동일하고, 단자 금구 (40) 의 형상·치수만이 샘플 S03 과 상이하다. 도 5 의 샘플 C02 와 도 3의 샘플 S03 의 가장 큰 차이는, 단자 금구 (40) 의 접촉면 (42) 의 외경 (Do) 의 값이다. 또, 절연체 (10) 와 단자 금구 (40) 의 접촉 면적 (Rc) 은, 접촉면 (42) 의 외경 (Do) 의 값에 따라 샘플 S03 과 크게 상이한 값으로 되어 있다. 또한, 이 샘플 C02 는, 절연체 (10) 의 후단측 몸통부 (18) 에 코루게이션이 형성되어 있지 않은 점에서, 도 3 의 샘플 S03 과 공통되어 있다.

도 6 은, 각종 샘플의 치수와 기계적 특성의 실험 결과를 나타내고 있다. 샘플 C01, C02, S03 은, 상기 서술한 도 4, 도 5, 도 3 으로 각각 설명한 샘플이다. 도 6 의 표에는, 이들 외에 샘플 S01 ∼ S02, S04 ∼ S07 이 추가되어 있다. 이들 추가 샘플 S01 ∼ S02, S04 ∼ S07 의 치수는, 샘플 S03 과는 접촉면 (42) 의 외경 (Do) 과, 접촉 면적 (Rc) 이 상이할 뿐이고, 다른 치수는 샘플 S03 과 동일하다. 샘플 S01 ∼ S07 에 있어서, 절연체 (10) 와 단자 금구 (40) 의 접촉 면적 (Rc) 은, 접촉면 (42) 의 외경 (Do) 에 따른 값으로 되어 있고, 6.66 ㎟ 부터 0.78 ㎟ 까지 점차 감소하고 있다. 바꾸어 말하면, 샘플 S01 ∼ S07 은, 접촉면 (42) 의 외경 (Do) 을 서로 상이한 값으로 설정함으로써, 절연체 (10) 와 단자 금구 (40) 의 접촉 면적 (Rc) 의 값을 변화시킨 샘플이다. 또, 제 2 비교예로서의 샘플 C02 도, 샘플 S03 으로부터 접촉면 (42) 의 외경 (Do) 을 증대시킴으로써, 절연체 (10) 와 단자 금구 (40) 의 접촉 면적 (Rc) 의 값을 증대시킨 샘플이다.

도 6 의 우측 끝에서부터 2 번째의 난에 나타내는 단자 편심량은, 가열 봉착 공정에 의해 단자 금구 (40) 를 절연체 (10) 에 고정한 후에, 단자 금구 (40) 와 절연체 (10) 간의 편심량을 측정한 실험 결과이다. 또한, 단자 편심량의 값은, 각 샘플에 대해 각각 30 개의 시료를 제작해 측정한 편심량의 평균값에, 편심량의 표준 편차의 3 배 (3σ) 를 가산한 값이다. 3σ 를 가산한 이유는, 현실적인 편심량의 최대값에 상당하는 값을 얻기 위해서이다. 이 단자 편심량이 큰 경우에는, 가열 봉착 공정 후에 있어서의 단자 금구 (40) 와 절연체 (10) 간의 실제 편심량이 커질 가능성이 높다. 따라서, 종래 기술에 있어서 설명한 바와 같이, 주체 금구의 크림핑 공정에 있어서 필요로 되는 조립 정밀도를 만족할 수 없게 될 가능성이 있고, 또 플래시오버가 발생하기 쉬워질 가능성이 있다.

또한, 도 6 에 예시한 샘플 C01 ∼ C02, S01 ∼ S07 중에서, 샘플 C01 은 절연체 (10) 의 후단측 몸통부 (18) 의 외경 (D18) 이 9.0 ㎜ 이고, 다른 샘플 C02, S01 ∼ S07 은 외경 (D18) 이 모두 7.5 ㎜ 이다. 절연체 (10) 의 후단측 몸통부 (18) 의 외경 (D18) 이 8 ㎜ 이상인 경우에는, 평탄부 (11) 의 외주와 장출부 (44) 의 외주 간의 거리를 비교적 크게 취하기 쉽기 때문에, 플래시오버가 잘 발생하지 않고, 편심에 의한 플래시오버에의 영향이 문제가 되기 어려운 경향이 있다. 이러한 의미에서는, 절연체 (10) 의 후단측 몸통부 (18) 의 외경 (D18) 이 8 ㎜ 이하인 경우에, 단자 금구 (40) 와 절연체 (10) 간의 편심량을 작게 억제하는 효과가 보다 현저하다.

도 7 은, 도 6 의 샘플 C01 ∼ C02, S01 ∼ S07 에 대한 접촉 면적 (Rc) 과 단자 편심량의 관계를 그래프로 한 것이다. 비교예의 샘플 C01, C02 에서는, 단자 편심량이 0.44 ㎜ 이상의 큰 값을 나타내고 있는 점에서 바람직하지 않다. 한편, 샘플 S01 ∼ S07 에서는, 단자 편심량이 0.43 ㎜ 이하의 비교적 작은 값을 나타내고 있는 점에서 바람직하다. 특히, 주체 금구의 크림핑 공정 등의 스파크 플러그의 조립 공정에 있어서의 조립 정밀도를 고려하면, 단자 편심량의 값으로는 0.42 ㎜ 미만이 바람직하고, 0.41 ㎜ 미만이 더 바람직하며, 0.40 ㎜ 미만이 가장 바람직하다. 이 관점에서는, 절연체 (10) 의 평탄부 (11) 와 단자 금구 (40) 의 접촉면 (42) 의 접촉 면적 (Rc) 의 값으로는, 8 ㎟ 미만이 바람직하고, 7 ㎟ 미만 (혹은 6.7 ㎟ 이하) 이 더 바람직하며, 5 ㎟ 미만 (혹은 4.9 ㎟ 이하) 이 가장 바람직하다.

도 6 의 우측 끝에 나타낸 「절연체 균열의 유무」는, 가열 봉착 공정에 의해 단자 금구 (40) 를 절연체 (10) 에 고정한 후에, 절연체 (10) 의 머리부 (후단부) 에 균열이 발생해 있는지의 여부를 조사한 실험 결과이다. 이 난에 있어서, 백색 동그라미 「○」는 절연체 균열이 전혀 발생하지 않은 샘플이고, 백색 삼각 「△」은 일부의 시료에 절연체 균열이 발생한 샘플이다. 접촉 면적 (Rc) 을 작게 하기 위해서 접촉면 (42) 의 외경 (Do) 을 작게 하면, 절연체 (10) 의 후단부에 있어서의 두께가 얇아지므로, 절연체 균열이 발생하기 쉬워지는 경향이 있다. 절연체 균열의 발생 유무에 관해서, 샘플 S01 ∼ S07 은 모두 충분히 실용적인 범위 내에 있다. 단, 절연체 균열을 가능한 한 발생시키지 않는다는 관점에서는, 접촉 면적 (Rc) 의 값을 1.0 ㎟ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 2.3 ㎟ 이상으로 하는 것이 더 바람직하다. 또한, 도 6 의 샘플 C02, S01 ∼ S07 에 관한 상기 서술한 실험 결과는, 접촉면 (42) 의 외경 (Do) 을 변화시키는 대신에 평탄부 (11) 의 내경 (Di) 을 변화시킨 경우도 동일하다고 추정된다.

도 8 은, 단자 금구 (40) 의 장출부 (44) 의 직경차 (S)(도 3 의 (C)) 와, 장출부 (44) 의 폭 (T) 과, 플래시오버 개시 전압의 관계를 나타내고 있다. 도면의 가로축은, 단자 금구 (40) 의 장출부 (44) 의 직경차 (S) 이고, 세로축은 플래시오버 개시 전압의 상대값이다. 이 도면에는, 절연체 (10) 의 평탄부 (11) 로부터 단자 금구 (40) 의 장출부 (44) 의 최대 외경 위치까지 측정한 거리 (t)(도 3 의 (C)) 와, 장출부 (44) 의 폭 (T) 의 절반의 값 (T/2) 간의 대소 관계가 상이한 3 가지 경우에 대해 3 개의 그래프가 나타내어져 있다. 이들 3 가지 경우에 있어서의 거리 (t) 와 폭 (T) 의 값은 각각 이하와 같다. (1) t ＞ T/2 의 경우 : t = 0.75 ㎜, T = 1.0 ㎜ (2) t = T/2 의 경우 : t = 0.50 ㎜, T = 1.0 ㎜ (3) t ＜ T/2 의 경우 : t = 0.25 ㎜, T = 1.0 ㎜

플래시오버 개시 전압의 상대값은, t = T/2 및 직경차 (S) = 0.5 ㎜ 인 경우를 기준으로 한 상대값이다. 또 도 8 에는, 「플랜지 없음」의 경우의 플래시오버 개시 전압도 나타내어져 있다. 여기서 「플랜지 없음」이란, 도 3 에 나타낸 샘플 S03 에 있어서 장출부 (44) 를 완전히 삭제하여 원기둥상으로 성형한 것이다. 또한, 도 8 의 실험에서 사용한 각 시료의 형상이나 치수는, 파라미터 S, t, T 이외는 도 3 에 나타낸 샘플 S03 과 동일하다.

도 8 로부터도 이해할 수 있는 바와 같이, 플래시오버의 발생을 억제하는 점에서는, 장출부 (44) 의 직경차 (S) 는 작은 편이 바람직하다. 이 이유는, 장출부 (44) 의 직경차 (S) 가 크면 장출부 (44) 의 최대 외경 위치로부터 주체 금구 (50)(도 1) 를 향하는 연면 방전 (플래시오버) 이 발생하기 쉬워지기 때문이다. 이러한 관점에서는, 장출부 (44) 의 직경차 (S) 는, 0.3 ㎜ 미만으로 하는 것이 바람직하고, 0.2 ㎜ 이하로 하는 것이 더 바람직하며, 0.15 ㎜ 이하로 하는 것이 가장 바람직하다.

또, 장출부 (44) 의 폭 (T) 의 절반의 값 (T/2) 에 대한 거리 (t) 의 비 (t/(T/2)) 는, 큰 것이 바람직하다. 이 이유는, 상기 서술한 비 (t/(T/2)) 의 값이 1 보다 클수록 장출부 (44) 의 최대 외경 위치가 절연체 (10) 로부터 멀어져, 플래시오버가 잘 발생하지 않게 되기 때문이다. 이러한 관점에서는, 장출부 (44) 의 폭 (T) 의 절반의 값 (T/2) 에 대한 거리 (t) 의 비 (t/(T/2)) 는, 1 보다 큰 것 (즉, t ＞ (T/2) 인 것) 이 바람직하다. 또, 장출부 (44) 가 전혀 없는 「플랜지 없음」도, 플래시오버 개시 전압이 높은 점에서 바람직하다.

또한, 도 8 의 전체를 고려하면, 장출부 (44) 의 직경차 (S) 를 0.2 ㎜ 이하로 하고, 또한 t ＞ (T/2) 로 하는 것이 바람직한 것을 이해할 수 있다. 단, 장출부 (44) 의 직경차 (S) 와, t ＞ (T/2) 의 양방의 조건을 만족하는 것은 필수가 아니고, 어느 일방의 조건만을 만족하도록 해도 된다. 또한, 상기 서술한 3 개의 파라미터 S, t, T 에 관한 바람직한 범위는, 이들 파라미터 S, t, T 가 도 8 과 상이한 경우에도 동일한 경향이 있는 것으로 추정된다.

· 변형예 또한, 본 발명은 상기 실시예나 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지 양태에 있어서 실시할 수 있다.

· 변형예 1 : 스파크 플러그로는, 도 1 에 나타낸 것 이외의 여러 가지 구성을 갖는 스파크 플러그를 본 발명에 적용할 수 있다. 특히, 단자 금구나 절연체의 구체적인 형상에 대해서는, 여러 가지 변형이 가능하다.

3 : 세라믹 저항
4 : 시일체
5 : 개스킷
6 : 링 부재
8 : 판 패킹
9 : 탤크
10 : 절연체
11 : 평탄부
12 : 축구멍
13 : 제 1 원기둥부
14 : 테이퍼부
15 : 제 2 원기둥부
16 : 외주측 단부
17 : 선단측 몸통부
18 : 후단측 몸통부
18t : 후단 직경 감소부
19 : 플랜지부
20 : 중심 전극
21 : 전극 모재
22 : 심재
30 : 접지 전극
33 : 선단부
40 : 단자 금구
41 : 대경부
42 : 접촉면
43 : 소경부
44 : 장출부
50 : 주체 금구
51 : 공구 걸어맞춤부
52 : 나사부
53 : 피크림핑부
54 : 플랜지부
55 : 베어링면
57 : 선반부
58 : 피좌굴부
59 : 나사목
100 : 스파크 플러그
200 : 엔진 헤드
201 : 장착 나사 구멍
205 : 개구 둘레가장자리부

Claims

축선 방향으로 연장되는 축구멍과 후단에 위치하는 평탄부를 갖는 절연체와, 상기 축구멍의 후단에 배치되고, 상기 평탄부에 접촉하는 접촉면을 갖는 단자 금구와, 상기 절연체를 내부에 유지하는 통상의 주체 금구를 구비하는 스파크 플러그로서,
상기 주체 금구의 후단에 있어서의 상기 절연체의 외경이, 8 ㎜ 이하이고,
상기 절연체의 상기 평탄부와 상기 단자 금구의 상기 접촉면의 접촉 면적이, 10 ㎟ 미만이고,
상기 단자 금구는, 상기 접촉면의 후단에 인접하고, 상기 축선 방향의 후단측을 향해 상기 단자 금구의 외경을 점증시킨 후에 점감시킨 장출부를 갖고,
상기 장출부의 최대 외경과, 상기 장출부의 후단에 있어서의 상기 단자 금구의 외경의 차가, 0.2 ㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제 1 항에 있어서,
상기 접촉 면적이, 8 ㎟ 미만인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제 2 항에 있어서,
상기 접촉 면적이, 5 ㎟ 미만인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 접촉 면적이, 2.3 ㎟ 이상인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 축선 방향을 따라 상기 절연체의 상기 평탄부로부터 상기 단자 금구의 상기 장출부의 최대 외경의 위치까지 측정한 거리 (t) 와, 상기 장출부의 상기 축선 방향에 걸친 폭 (T) 이, t ＞ T/2 의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주체 금구의 후단보다 후단측에 있어서의 상기 절연체의 외경 형상은, 상기 주체 금구의 후단측에 인접하고 외경이 일정한 기둥상부와, 상기 기둥상부의 후단측에 인접하고 상기 평탄부에 이를 때까지 외경이 점감하는 후단 직경 감소부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.