KR101918366B1 - 스파크 플러그 - Google Patents

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도모아키 가토
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니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 전극의 소모를 억제한다.
(해결수단) 중심전극은 내경 소경부보다도 후단측에 배치되고 내경 소경부의 내경보다도 큰 외경을 가지는 부분인 머리부를 구비하고 있다. 절연체의 내경 축소부에 중심전극의 머리부가 지지되어 있다. 절연체 중, 내경 축소부와 내경 소경부의 경계에서부터 밀봉부의 후단까지의 부분인 대상부분의 축선방향의 길이를 L이라 하고, 절연체의 대상부분에 있어서의 축구멍의 평균 내경을 D1이라 하고, 절연체의 대상부분의 평균 외경을 D2라 하고, Cp=L/log(D2/D1)라 하였을 경우에, 1.8㎜≤L이고 또한 Cp≤11㎜이다.

Description

스파크 플러그 {SPARK PLUG}
본 개시는 스파크 플러그에 관한 것이다.
종래부터 내연기관에 스파크 플러그가 이용되고 있다. 스파크 플러그는, 예를 들면 중심전극과 접지전극을 구비하고 있으며, 중심전극과 접지전극에 의해서 형성되는 간극에서 생기는 불꽃 방전에 의해서 혼합기(混合氣)가 점화된다.
특허문헌 1 : 국제 공개 제2011/033902호 특허문헌 2 : 일본국 특개2009-245716호 공보 특허문헌 3 : 일본국 특개평9-63745호 공보
그런데, 근래에는 연비 향상 등의 성능 향상을 도모하기 위해서 내연기관 등에서의 혼합기의 고압축화(高壓縮化)가 진행되고 있다. 이러한 내연기관 등에서는 스파크 플러그에 인가되는 전압이 높아지게 되는 경향이 있다. 전압이 높아지게 되면, 방전시에 흐르는 전류도 커지게 된다. 그 결과, 전극이 소모되는 경우가 있었다.
본 개시는 전극의 소모를 억제할 수 있는 기술을 개시한다.
본 개시는, 예를 들면 이하의 적용예를 개시한다.
[적용예 1]
축선방향으로 연장되는 축구멍을 가지는 통 형상의 절연체와, 상기 축구멍의 선단에서 자신의 선단이 돌출되도록 상기 절연체의 내측에 유지된 중심전극과, 상기 축구멍 내의 상기 중심전극보다 후단측에 배치되는 저항체와, 상기 축구멍 내의 상기 저항체와 상기 중심전극의 사이에 배치되어 상기 저항체와 상기 중심전극을 접속하는 밀봉부를 구비하고,
상기 절연체는 상기 선단측으로 향해서 내경이 작아지게 되는 내경 축소부와, 상기 내경 축소부의 상기 선단측에 형성된 부분인 내경 소경부(小徑部)를 구비하고,
상기 중심전극은 상기 내경 소경부보다도 상기 후단측에 배치되며 상기 내경 소경부의 내경보다도 큰 외경을 가지는 부분인 머리부를 구비하고,
상기 절연체의 상기 내경 축소부에 상기 중심전극의 상기 머리부가 지지되어 있는 스파크 플러그로서,
상기 절연체 중, 상기 내경 축소부와 상기 내경 소경부의 경계에서부터 상기 밀봉부의 후단까지의 부분인 대상부분(對象部分)의 상기 축선방향의 길이를 L이라 하고, 상기 절연체의 상기 대상부분에 있어서의 상기 축구멍의 평균 내경을 D1이라 하고, 상기 절연체의 상기 대상부분의 평균 외경을 D2라 하고, Cp=L/log(D2/D1)이라 하였을 경우에, 1.8㎜≤L이고 또한 Cp≤11㎜인 스파크 플러그.
이 구성에 의하면, 절연체 중 밀봉부를 에워싸는 부분에서 형성될 수 있는 커패시터의 정전용량이 억제되기 때문에, 방전에 의한 전극의 소모를 억제할 수 있다.
[적용예 2]
적용예 1에 있어서, 상기 절연체의 상기 대상부분에 있어서의 상기 축구멍의 상기 축선에 수직한 단면적의 최대값을 S라 하고, 상기 밀봉부와 상기 중심전극의 접촉면적을 M이라 하였을 경우에, 2.0≤M/S≤3.0인 스파크 플러그.
이 구성에 의하면, 단면적의 최대값(S)과 접촉면적(M)의 적정화에 의해서 방전에 의한 전극의 소모를 억제할 수 있으며, 또한 스파크 플러그의 내구성을 향상시킬 수 있다.
[적용예 3]
적용예 1 또는 적용예 2에 있어서, D1≤3㎜인 스파크 플러그.
이 구성에 의하면, 평균 내경(D1)이 작기 때문에, 정전용량이 적절히 억제된다. 이 결과, 방전에 의한 전극의 소모를 적절히 억제할 수 있다.
또한, 본 발명은 여러 가지 형태로 실현되는 것이 가능하며, 예를 들면 스파크 플러그, 스파크 플러그를 탑재하는 내연기관 등의 형태로 실현될 수 있다.
도 1은 스파크 플러그의 일 실시형태의 단면도이다.
도 2는 도 1의 단면도 중 제 1 밀봉부(60)를 포함하는 일부분의 확대도이다.
A. 실시형태:
A-1. 스파크 플러그의 구성:
도 1은 스파크 플러그의 일 실시형태의 단면도이다. 도 1에는 스파크 플러그(100)의 중심축(CL)이 도시되어 있다("축선(CL)"이라고도 한다). 도시된 단면은 중심축(CL)을 포함하는 평평한 단면이다. 이하, 중심축(CL)에 평행한 방향을 "축선(CL)의 방향" 또는 단순히 "축선방향" 또는 "전후방향"이라고도 한다. 중심축(CL)을 중심으로 하는 "원의 직경방향"을 단순히 "직경방향(J)"이라고도 하고, 중심축(CL)을 중심으로 하는 "원의 원주방향"을 "원주방향"이라고도 한다. 중심축(CL)에 평행한 방향 중, 도 1에 있어서의 하측방향을 "선단방향(Df)" 또는 "전(前)방향(Df)"이라고 하고, 상측방향을 "후단방향(Dfr)" 또는 "후(後)방향(Dfr)"이라고도 한다. 선단방향(Df)은 후술하는 금속 단자(40)에서 중심전극(20)으로 향하는 방향이다. 또, 도 1에 있어서의 선단방향(Df)측을 스파크 플러그(100)의 선단측이라고 하고, 도 1에 있어서의 후단방향(Dfr)측을 스파크 플러그(100)의 후단측이라고 한다.
스파크 플러그(100)는, 축선(CL)을 따라서 연장되는 축구멍(12)을 가지는 대략 원통 형상의 절연체(10)와, 축구멍(12)의 선단측에서 유지되는 중심전극(20)과, 축구멍(12)의 후단측에서 유지되는 금속 단자(40)와, 축구멍(12) 내에서 중심전극(20)과 금속 단자(40)를 전기적으로 접속하는 접속부(300)와, 절연체(10)의 외주측에 고정된 금속 쉘(50)과, 일단이 금속 쉘(50)의 선단면에 접합됨과 아울러 타단이 중심전극(20)과 갭(g)을 두고서 대향하도록 배치된 접지전극(30)을 가지고 있다.
절연체(10)는 최대 외경을 가지는 대경부(大徑部)(19)를 가지고 있다. 대경부(19)의 선단측에는 선단측 몸통부(17), 제 1 외경 축소부(15), 다리부(13)가 선단측을 향해서 이 순서대로 접속되어 있다. 제 1 외경 축소부(15)의 외경은 선단측으로 향해서 서서히 작아지게 된다. 대경부(19)의 후단측에는 제 2 외경 축소부(11), 후단측 몸통부(18)가 후단측을 향해서 이 순서대로 접속되어 있다. 제 2 외경 축소부(11)의 외경은 후단측으로 향해서 서서히 작아지게 된다. 제 1 외경 축소부(15)의 근방{도 1의 예에서는 선단측 몸통부(17)}에는 선단측으로 향해서 내경이 서서히 작아지게 되는 내경 축소부(16)가 형성되어 있다. 절연체(10)는 기계적 강도와 열적 강도와 전기적 강도를 고려하여 형성되는 것이 바람직하며, 예를 들면 알루미나를 소성하여 형성되어 있다(다른 절연 재료도 채용하는 것이 가능하다).
중심전극(20)은 중심축(CL)을 따라서 연장되는 봉 형상의 축부(27)와 이 축부(27)의 선단에 접합된 제 1 팁(29)을 가지고 있다. 제 1 팁(29)은, 예를 들면 레이저 용접에 의해서 축부(27)에 고정되어 있다. 축부(27)의 후단측에는 외경이 큰 머리부(24)가 형성되어 있다. 머리부(24)의 최대 외경은 절연체(10)의 다리부(13)의 내경보다도 크다. 머리부(24)의 전방향(Df)측의 면은 절연체(10)의 내경 축소부(16)에 의해서 지지되어 있다. 중심전극(20)의 선단부는 절연체(10)의 선단보다도 전방향(Df)으로 돌출되어 있다. 축부(27)는 외층(21)과 이 외층(21)의 내주측에 배치된 코어부(22)를 가지고 있다. 외층(21)은, 예를 들면 니켈을 주성분으로서 함유하는 합금으로 형성되어 있다. 코어부(22)는 외층(21)보다도 열전도율이 높은 재료(예를 들면, 구리를 주성분으로서 함유하는 합금)로 형성되어 있다. 제 1 팁(29)은 축부(27)보다도 방전에 대한 내구성이 뛰어난 재료{예를 들면, 이리듐(Ir), 백금(Pt) 등의 귀금속, 텅스텐(W), 이들의 금속에서 선택된 적어도 1종을 함유하는 합금}를 이용하여 형성되어 있다.
절연체(10)의 축구멍(12)의 후단측에는 금속 단자(40)의 전방향(Df)측의 일부가 삽입되어 있다. 금속 단자(40)는 축선(CL)을 따라서 연장되는 봉 형상의 부재이다. 금속 단자(40)는 도전성 재료(예를 들면, 저탄소강 등의 금속)를 이용하여 형성되어 있다.
절연체(10)의 축구멍(12) 내에 있어서, 금속 단자(40)와 중심전극(20)의 사이에는 전기적인 노이즈를 억제하기 위한 대략 원기둥 형상의 저항체(70)가 배치되어 있다. 저항체(70)는, 예를 들면 도전성 재료(예를 들면, 탄소 입자)와 세라믹 입자(예를 들면, Zr02)와 유리 입자(예를 들면, SiO2-B203-Li20-Ba0계의 유리 입자)를 함유하는 재료를 이용하여 형성되어 있다. 저항체(70)와 중심전극(20)의 사이에는 도전성의 제 1 밀봉부(60)가 배치되고, 저항체(70)와 금속 단자(40)의 사이에는 도전성의 제 2 밀봉부(80)가 배치되어 있다. 밀봉부(60, 80)는, 예를 들면 저항체(70)의 재료에 함유되는 것과 같은 유리 입자와 금속 입자(예를 들면, Cu)를 함유하는 재료를 이용하여 형성되어 있다. 중심전극(20)과 금속 단자(40)는 저항체(70)와 밀봉부(60, 80)를 통해서 전기적으로 접속되어 있다. 이하, 이들의 부재(60, 70, 80) 전체를 접속부(300)라고도 한다. 또한, 제 1 밀봉부(60)가 특허청구범위에 있어서의 밀봉부에 상당한다.
금속 쉘(50)은 축선(CL)을 따라서 연장되는 관통구멍(59)을 가지는 대략 원통 형상의 부재이다. 금속 쉘(50)의 관통구멍(59)에는 절연체(10)가 삽입되며, 금속 쉘(50)은 절연체(10)의 외주에 고정되어 있다. 절연체(10)의 선단측의 일부는 금속 쉘(50)의 선단보다도 선단측에 위치하고 있다. 절연체(10)의 후단측의 일부는 금속 쉘(50)의 후단보다도 후단측에 위치하고 있다. 금속 쉘(50)은 도전 재료(예를 들면, 저탄소강 등의 금속)를 이용하여 형성되어 있다.
금속 쉘(50)은 내연기관(예를 들면, 가솔린 엔진)의 장착구멍에 나사 결합하기 위한 나사부(52)가 외주면에 형성되어 있는 몸통부(55)를 가지고 있다. 몸통부(55)의 후단측에는 시트부(54)를 가지고 있다. 시트부(54)와 나사부(52)의 사이에는 환 형상의 개스킷(5)이 끼워져 있다. 시트부(54)의 후단측에는 변형부(58), 공구 걸어맞춤부(51), 크림핑부(53)가 후단측을 향해서 이 순서대로 형성되어 있다. 변형부(58)는 직경방향의 외측{중심축(CL)으로부터 멀어지는 방향}으로 향해서 중앙부가 돌출되도록 변형되어 있다. 공구 걸어맞춤부(51)의 형상은 스파크 플러그 렌치가 걸어 맞춰지는 형상(예를 들면, 육각 기둥)이다. 크림핑부(53)는 절연체(10)의 제 2 외경 축소부(11)보다도 후단측에 배치되며, 직경방향의 내측으로 향해서 굴곡되어 있다.
금속 쉘(50)의 크림핑부(53)와 절연체(10)의 제 2 외경 축소부(11)의 사이에는 금속 쉘(50)의 내주면과 절연체(10)의 외주면에 의해서 구획된 공간(SP)이 형성되어 있다. 공간(SP) 내에는 제 1 후단측 패킹(6), 탈크(활석)(9), 제 2 후단측 패킹(7)이 선단측으로 향해서 이 순서대로 배치되어 있다. 본 실시형태에서는, 이들 후단측 패킹(6, 7)은 철제의 C링이다(다른 재료를 채용하는 것도 가능하다).
금속 쉘(50)의 몸통부(55)에는 선단측으로 향해서 내경이 서서히 작아지게 되는 내경 축소부(56)가 형성되어 있다. 금속 쉘(50)의 내경 축소부(56)와 절연체(10)의 제 1 외경 축소부(15)의 사이에는 선단측 패킹(8)이 끼워져 있다. 본 실시형태에서는, 선단측 패킹(8)은 철제의 O링이다{다른 재료(예를 들면, 구리 등의 금속재료)를 채용하는 것도 가능하다}.
스파크 플러그(100)의 제조시에는 크림핑부(53)가 내측으로 꺾여 구부러지도록 크림핑된다. 그리고, 크림핑부(53)가 선단방향(Df)측으로 압압된다. 이것에 의해서 변형부(58)가 변형되고, 패킹(6, 7)과 탈크(9)를 통해서 절연체(10)가 금속 쉘(50) 내에서 선단측으로 향해서 압압된다. 선단측 패킹(8)은 제 1 외경 축소부(15)와 내경 축소부(56)의 사이에서 압압되어 금속 쉘(50)과 절연체(10)의 사이를 밀봉한다. 따라서, 내연기관의 연소실 내의 가스가 금속 쉘(50)과 절연체(10)의 사이를 통하여 밖으로 새는 것이 억제된다. 또한, 금속 쉘(50)이 절연체(10)에 고정된다.
접지전극(30)은 봉 형상의 축부(37)와 이 축부(37)의 선단부(31)에 접합된 제 2 팁(39)을 가지고 있다. 축부(37)의 일단은 금속 쉘(50)의 선단면(57)에 접합되어 있다(예를 들면, 저항 용접). 축부(37)는 금속 쉘(50)에서 선단방향(Df)으로 향해서 연장된 후 중심축(CL)으로 향해서 구부러져 있으며, 그 선단부(31)가 중심전극(20)의 선단부에 이른다. 선단부(31)에 있어서의 중심전극(20)의 선단부와 대향하는 면에는 제 2 팁(39)이 접합되어 있다(예를 들면, 레이저 용접). 접지전극(30)의 제 2 팁(39)과 중심전극(20)의 제 1 팁(29)은 갭(g)을 두고서 대향하고 있다.
축부(37)는 축부(37)의 표면을 형성하는 모재(35)와 이 모재(35) 내에 매설된 코어부(36)를 가지고 있다. 모재(35)는 코어부(36)보다도 내산화성이 뛰어난 재료(예를 들면, 니켈을 함유하는 합금)로 형성되어 있다. 코어부(36)는 모재(35)보다도 열전도율이 높은 재료(예를 들면, 순구리, 구리 합금 등)로 형성되어 있다.
또한, 스파크 플러그(100)는, 예를 들면 이하와 같이 제조된다. 절연체(10)와 중심전극(20)과 금속 단자(40)와 밀봉부(60, 80)의 각각의 재료 분말과 저항체(70)의 재료 분말을 준비한다. 절연체(10)의 축구멍(12)의 후단방향(Dfr)측의 개구(12x)(이하, "후측 개구(12x)"라 한다)에서 중심전극(20)을 삽입한다. 도 1에서 설명한 바와 같이, 중심전극(20)은 절연체(10)의 내경 축소부(16)에 의해서 지지됨으로써, 축구멍(12) 내의 소정 위치에 배치된다. 그리고, 제 1 밀봉부(60), 저항체(70), 제 2 밀봉부(80)의 각각의 재료 분말의 투입과 투입된 재료 분말의 성형이 부재(60, 70, 80)의 순서대로 실시된다. 재료 분말의 투입은 축구멍(12)의 후측 개구(12x)에서 실시된다. 투입된 재료 분말의 성형은 후측 개구(12x)에서 삽입된 봉(棒)을 이용하여 실시된다. 재료 분말은 대응하는 부재의 형상과 대략 같은 형상으로 성형된다. 그리고, 축구멍(12)의 후측 개구(12x)에서 금속 단자(40)의 일부를 축구멍(12)에 삽입하고, 절연체(10)를 각 재료 분말에 함유되는 유리 성분의 연화점보다도 높은 소정 온도까지 가열하고, 금속 단자(40)를 전방향(Df)으로 압압한다. 그 결과, 각 재료 분말이 압축 및 소결되어 밀봉부(60, 80)와 저항체(70)가 각각 형성된다. 그리고, 절연체(10)의 외주에 미리 접지전극(30)을 고정한 금속 쉘(50)을 조립한다. 그리고, 접지전극(30)을 굴곡시켜서 스파크 플러그를 완성한다.
A-2. 절연체(10)의 대상부분(10L)에 대해서
도 2는 도 1의 단면도 중 제 1 밀봉부(60)를 포함하는 일부분의 확대도이다. 도 2에는 중심전극(20)과 절연체(10)의 일부와 제 1 밀봉부(60)와 저항체(70)의 일부와 금속 쉘(50)의 일부가 도시되어 있다. 접지전극(30)의 도시는 생략되어 있다. 또, 중심전극(20)의 내부 구성의 도시도 생략되어 있다. 도 2의 절연체(10)의 내경 소경부(小徑部)(14)는 내경 축소부(16)의 전방향(Df)측에 접속된 부분이다. 내경 소경부(14)의 내경은 내경 축소부(16)의 내경 이하이다. 내경 소경부(14)의 내주면은 대략 축선(CL)에 평행한다.
또, 도 2에는 절연체(10)의 일부분인 대상부분(10L)이 해칭으로 도시되어 있다. 대상부분(10L)은 절연체(10) 중의 제 1 밀봉부(60)를 에워싸는 부분에 대응하고 있다. 이러한 대상부분(10L)으로서는, 절연체(10) 중 내경 축소부(16)와 내경 소경부(14)의 경계(P1)에서부터 제 1 밀봉부(60)의 후단(P2)까지의 부분이 채용된다. 즉, 대상부분(10L)은 절연체(10) 중 축선(CL)에 평행하는 방향의 위치가 경계(P1)에서부터 후단(P2)까지의 범위 내인 부분이다. 도 2의 우측 부분에는 경계(P1)의 근방을 나타내는 확대도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 내경 축소부(16)와 내경 소경부(14)의 접속부분은 모따기할 수 있다. 이 경우, 중심축(CL)을 포함하는 평평한 단면 상에 있어서, 내경 축소부(16)의 표면(즉, 내주면)을 나타내는 선 중의 직선부분(16L)과, 내경 소경부(14)의 표면(즉, 내주면)을 나타내는 선 중의 직선부분(14L)을 연장하여 얻을 수 있는 교점이 경계(P1)로서 채용된다.
대상부분(10L)의 내주측에는 제 1 밀봉부(60)가 배치되고, 대상부분(10L)의 외주측은 금속 쉘(50)에 의해서 에워싸여져 있다. 제 1 밀봉부(60)와 금속 쉘(50)은 대상부분(10L)을 사이에 둔 커패시터를 형성하고 있다(이하 "커패시터(C)"라 한다). 스파크 플러그(100)에 고전압이 인가된 경우에는, 이 커패시터(C)는 방전 전에 전압에 대응한 전하를 축적한다. 그리고, 방전시에는 축적된 전하가 전류가 된다. 또, 저항체(70)는 제 1 밀봉부(60)의 후방향(Dfr)측에 배치되어 있다. 따라서, 커패시터(C)에 축적된 전하는 저항체(70)에 제한되지 않고 전극(20, 30)을 흐를 수 있다. 따라서, 커패시터(C)의 정전용량이 큰 경우에는 방전시에 전극(20, 30)에 큰 전류가 흐르기 때문에, 전극(20, 30)이 소모되기 쉽다.
커패시터(C)의 정전용량은, 이하에 설명하는 바와 같이 대상부분(10L)의 형상이 원통에 근사하고 그리고 대상부분(10L)과 금속 쉘(50)의 사이의 간극이 충분히 작다고 가정하고서, 근사적으로 산출할 수 있다. 도 2에는 대상부분(10L)의 길이(L)와 평균 내경(D1)과 평균 외경(D2)이 도시되어 있다. 길이(L)는 대상부분(10L)의 축선(CL)에 평행하는 방향의 길이이다. 평균 내경(D1)은 대상부분(10L)에 있어서의 축구멍(12)의 평균 내경이고, 평균 외경(D2)은 대상부분(10L)의 평균 외경이다. 평균 내경(D1)은 대상부분(10L)의 선단에서부터 후단까지의 전체 범위에서 축선(CL)과 평행하게 0.1㎜ 간격으로 선택된 복수의 위치에서의 내경의 평균값이다. 평균 외경(D2)은 상기한 바와 마찬가지로 대상부분(10L)의 선단에서부터 후단까지의 전체 범위에서 축선(CL)과 평행하게 0.1㎜ 간격으로 선택된 복수의 위치에서의 외경의 평균값이다.
여기서, 대상부분(10L)이 길이(L)와 평균 내경(D1)과 평균 외경(D2)에 의해서 나타내어지는 원통이라고 가정한다. 이러한 원통 커패시터의 정전용량은 「2πεL/log(D2/D1)」로 나타내어진다. ε은 대상부분(10L)의 유전율이다. 또, log의 밑(base)은 10이다. 이하, 정전용량의 계산식에서 정수 「2πε」를 생략한 식 「L/log(D2/D1)」로 나타내어지는 값을 "근사 용량 평가값(Cp)" 혹은 단순히 "용량 평가값(Cp)"이라고도 한다(단위는 ㎜). 상기의 정전용량은 용량 평가값(Cp)에 비례한다. 따라서, 용량 평가값(Cp)이 클수록 방전시의 전류가 크고, 그리고 전극(20, 30)이 소모되기 쉽다고 추정된다. 전극(20, 30)의 소모를 억제하기 위해서는 용량 평가값(Cp)이 작아지도록 절연체(10)를 구성하는 것이 바람직하다.
B. 평가 시험:
스파크 플러그(100)의 샘플을 이용한 평가 시험에 대해서 설명한다. 이하의 표 1은 '샘플의 구성'과 '갭 시험의 결과'와 '부하 수명 시험'의 결과를 나타내고 있다.
No. D1
(㎜)		 D2
(㎜)		 L
(㎜)		 Cp
(㎜)		 Gap 시험 부하 수명 시험
Gap 증가량의 저감률(%) 판정
1 3.9 7.3 5.0 18.4 -5.0 D A
2 3.9 7.3 4.0 14.7 -3.3 D A
3 3.9 9.2 5.0 13.4 0.0 - A
4 2.7 7.6 5.0 11.1 8.3 C A
5 3.9 7.3 3.0 11.0 13.3 B A
6 3 7.7 4.5 11.0 16.7 B A
7 3 7.3 4.0 10.4 18.3 B A
8 3 7.6 4.0 9.9 20.0 A A
9 3.9 7.3 2.0 7.3 21.7 A A
10 3.9 9.2 2.0 5.4 26.7 A A
11 3 6.5 1.8 5.4 30.0 A A
12 2.7 6.3 2.0 5.4 33.3 A A
13 3 7.6 2.0 5.0 35.0 A A
14 3 6.3 1.5 4.7 35.0 A B
15 3.9 9.2 1.3 3.5 36.7 A B
표 1에서의 "No."는 샘플 종류의 번호이다(1번부터 15번). D1, D2, L, Cp는 각각 도 2에서 설명한 평균 내경(D1)과 평균 외경(D2)과 길이(L)와 용량 평가값(Cp)이다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 15종류의 샘플 사이에서는 D1, D2, L, Cp 중 적어도 1개가 다르다. D1, D2, L, Cp가 다른 점 이외의 구성은 15종류의 샘플 사이에서 공통이다.
갭 시험에 관해서는 '갭 증가량의 저감률(단위는 %)'과 '판정'의 결과가 나타나 있다. 갭 시험에서는, 각 샘플은 압력이 3MPa의 공기 중에 배치되었다. 그리고, 60Hz의 주기로 20시간에 걸쳐서 방전이 반복되었다. 이 방전의 반복에 의해서 중심전극(20)과 접지전극(30)의 사이의 갭(g)의 거리가 증가하였다{즉, 전극(20, 30)이 소모되었다}. 방전의 반복 전의 갭(g)의 거리와 방전의 반복 후의 갭(g)의 거리가 각각 핀 게이지에 의해서 측정되었다. 갭 시험에서는 1종류의 샘플을 위해서 같은 구성을 가지는 3개의 샘플이 시험되었다. 그리고, 3개의 샘플의 갭(g)의 거리의 증가량의 평균값을 그 종류의 샘플의 갭(g)의 거리의 증가량으로서 채용하였다(이하 "갭 증가량"이라고도 한다). 이 갭 증가량을 3번의 갭 증가량을 기준으로 하는 저감률을 이용하여 평가하였다. 구체적으로는 계산식 「((3번의 증가량 - 샘플의 증가량) / 3번의 증가량)×100(단위는 %)」에 따라서 표 1에서의 갭 증가량의 저감률을 산출하였다. 이 갭 증가량의 저감률이 정값(正値)이라는 것은 샘플의 갭 증가량이 3번의 갭 증가량보다도 작았던 것, 즉 전극(20, 30)의 소모가 3번에 비해서 억제된 것을 나타내고 있다. 그리고, 갭 증가량의 저감률이 클수록 갭 증가량이 작고, 전극(20, 30)의 소모가 억제되었다. 갭 시험의 A판정∼D판정의 각각의 기준은 이하와 같다.
A판정 : 갭 증가량의 저감률≥20%
B판정 : 20%>갭 증가량의 저감률≥10%
C판정 : 10%>갭 증가량의 저감률≥0%
D판정 : 0%>갭 증가량의 저감률
부하 수명 시험은 JIS B8031: 2006(내연기관-스파크 플러그)의 7.13, 7.14의 규정에 따라서 실시되었다. 구체적으로는 7.13의 규정에 따라서 저항값이 측정된 후, 7.14의 규정에 따라서 부하 시험이 실시되었다. 부하 시험에서는 20kV의 전압의 인가에 의한 방전이 1.3×107회 실시되고, 그 후 샘플이 1시간 방치되었다. 그 후, 7.13의 규정에 따라서 부하 시험 후의 저항값이 측정되었다. 그리고, 부하 시험 전의 저항값에 대한 저항값의 변화율이 산출되었다. 또한, 부하 수명 시험에서는 1종류의 샘플의 변화율의 산출을 위해서 1개의 샘플이 시험되었다. 표 1에서는, A평가는 변화율이 -30% 이상 +30% 이하의 범위 내인 것을 나타내고, B평가는 변화율이 그 범위 외인 것을 나타내고 있다.
표 1에 나타낸 바와 같이, 길이(L)가 길수록 부하 수명 시험의 판정 결과가 양호하였다. 그 이유는, 대상부분(10L)의 길이(L)가 긴 경우에는 제 1 밀봉부(60)의 길이가 길기 때문에, 제 1 밀봉부(60)의 내구성이 향상되기 때문이라고 추정된다. A판정을 실현한 길이(L)는 1.8, 2.0, 3.0, 4.0, 4.5, 5.0(㎜)이었다. 이들의 값에서 임의로 선택된 값을 길이(L)의 바람직한 범위의 하한으로서 채용하는 것이 가능하다. 예를 들면, 길이(L)로서 1.8㎜ 이상의 값을 채용하여도 좋다. 또, A판정이 얻어진 상기의 값에서 길이(L)의 바람직한 범위의 상한을 선택하여도 좋다. 예를 들면, 길이(L)로서 5.0㎜ 이하의 값을 채용하여도 좋다. 다만, L>5.0㎜이어도 좋다.
또, 표 1에 나타낸 바와 같이, 용량 평가값(Cp)이 작을수록 갭 시험의 판정 결과가 양호하였다. 그 이유는, 상기한 바와 같이, 용량 평가값(Cp)이 작은 경우에는 용량 평가값(Cp)이 큰 경우에 비해서 방전시에 전극(20, 30)으로 흐르는 전류가 억제되기 때문이라고 추정된다. A판정 또는 B판정을 실현한 용량 평가값(Cp)은 3.5, 4.7, 5.0, 5.4, 7.3, 9.9, 10.4, 11.0(㎜)이었다. 이들의 값에서 임의로 선택된 값을 용량 평가값(Cp)의 바람직한 범위의 상한으로서 채용하는 것이 가능하다. 예를 들면, 용량 평가값(Cp)으로서 11㎜ 이하의 값을 채용하여도 좋다. 또, A판정을 실현한 값{3.5, 4.7, 5.0 , 5.4, 7.3, 9.9(㎜)}에서 바람직한 범위의 상한을 채용하여도 좋다. 예를 들면, 용량 평가값(Cp)으로서 9.9㎜ 이하의 값을 채용하여도 좋다. 또, A판정 또는 B판정이 얻어진 상기의 값에서 용량 평가값(Cp)의 바람직한 범위의 하한을 선택하여도 좋다. 예를 들면, 용량 평가값(Cp)으로서 3.5㎜ 이상의 값을 채용하여도 좋다. 다만, CP<3.5㎜이어도 좋다.
또한, 용량 평가값(Cp)이 상기한 바람직한 범위 내라면, 대상부분(10L)의 형상에 관계없이 커패시터(C)에 축적되는 전하의 양을 적게 할 수 있다. 따라서, 용량 평가값(Cp)이 상기한 바람직한 범위 내라면, 평균 내경(D1)과 평균 외경(D2)에 상관없이 방전시의 전류를 억제할 수 있고, 전극(20, 30)의 소모를 억제할 수 있다고 추정된다. 따라서, 평균 내경(D1)은 상기한 15종류의 샘플의 평균 내경(D1)이 분포하는 2.7㎜ 이상 3.9㎜ 이하의 범위 내이어도 좋고, 그 범위 외이어도 좋다. 마찬가지로, 평균 외경(D2)은 상기한 15종류의 샘플의 평균 외경(D2)이 분포하는 6.3㎜ 이상 9.2㎜ 이하의 범위 내이어도 좋고, 그 범위 외이어도 좋다. 예를 들면, 평균 내경(D1)이 3㎜ 이하이어도 좋다.
이어서, 스파크 플러그(100)의 샘플을 이용한 다른 평가 시험에 대해서 설명한다. 이하의 표 2는 '샘플의 구성'과 '내충격 시험의 판정 결과'와 '생산성 시험의 결과'를 나타내고 있다.
No. M
(㎟)		 S
(㎟)		 M/S 내충격 판정 생산성(n=30)
불량 발생수 판정
16 21.9 11.9 1.8 B 0 A
17 22.7 11.9 1.9 B 0 A
18 24.2 11.9 2.0 A 0 A
19 30.1 11.9 2.5 A 0 A
20 33.7 11.9 2.8 A 1 B
21 35.6 11.9 3.0 A 1 B
22 36.4 11.9 3.1 A 4 C
23 13.6 7.1 1.9 B 0 A
24 19.4 7.1 2.7 A 1 B
25 22.8 7.1 3.2 A 5 C
표 2에서의 "No."는 샘플 종류의 번호이다(16번부터 25번). 접촉면적(M)은 제 1 밀봉부(60)(도 2)와 중심전극(20)의 접촉면적이다. 최대 단면적(S)은 대상부분(10L)에 있어서의 축구멍(12)의 축선(CL)에 수직한 단면적의 최대값이다. 비율(M/S)은 최대 단면적(S)에 대한 접촉면적(M)의 비율이다. 16번∼22번의 7종류 샘플은 표 1의 10번 샘플의 중심전극(20)(도 2)의 후방향(Dfr)측의 단면(28)의 형상을 변경한 것이다. 16번∼22번의 D1, D2, L은 10번의 D1, D2, L과 각각 같다(또한, 10번의 M, S, M/S는 16번의 M, S, M/S와 각각 같다). 23번∼25번의 3종류 샘플은 표 1의 11번 샘플의 중심전극(20)의 후방향(Dfr)측의 단면(28)의 형상을 변경한 것이다. 23번∼25번의 D1, D2, L은 11번의 D1, D2, L과 각각 같다(또한, 11번의 M, S, M/S는 23번의 M, S, M/S와 각각 같다). 중심전극(20)의 단면(28)의 형상을 변경함에 의해서 접촉면적(M)이 변화한다. 본 평가 시험의 샘플에서는, 단면(28)은 전방향(Df)으로 향해서 오목한 오목부 형상으로 형성되어 있으며, 이 오목부의 깊이를 조정함에 의해서 접촉면적(M)이 조정되었다.
또한, 도 2의 실시형태에서는, 중심전극(20)은 축선(CL)을 중심으로 하는 회전체이다. 즉, 축선(CL)을 포함하는 평평한 단면에 있어서의 중심전극(20)의 형상은 단면의 방향에 관계없이 대략 같다. 이 경우, 접촉면적(M)은 예를 들면 이하와 같이 산출하는 것이 가능하다. 도 2에서의 굵은 선으로 나타낸 접촉선(62)은 제 1 밀봉부(60)와 중심전극(20)의 접촉면을 나타내는 선이다. 이 접촉선(62)을 축선(CL)을 중심으로 180도 회전시킬 경우에, 회전하는 접촉선(62)에 의해서 나타나는 입체 형상(회전체라고도 한다)은, 제 1 밀봉부(60)와 중심전극(20)의 접촉면의 형상과 매우 근사하다. 이 입체 형상의 면적은 접촉면적(M)의 적정한 근사값이다. 이 입체 형상의 면적은 접촉선(62)의 형상으로부터 산출하는 것이 가능하다. 예를 들면, 접촉선(62)을 복수의 소정 길이(예를 들면, 0.1㎜)의 직선부분으로 형성된 절선(折線)과 근사하다. 그리고, 입체 형상 중 1개의 직선부분으로 형성되는 부분의 면적을 원뿔대의 측면의 면적과 마찬가지로 산출한다. 그리고, 복수의 직선부분의 각각에서 얻어지는 면적의 합계값을 접촉면적(M)으로서 산출한다. 또한, 접촉선(62)을 절선과 근사하는 방법으로서는 공지의 방법을 채용하면 된다.
내충격 시험은 이하와 같다. 우선, 표 1의 갭 시험과 같은 시험을 하였다. 그 후, J1S B8031: 2006의 7.4에 규정된 내충격성 시험을 3회 반복하였다. 이들의 시험 후에 중심전극(20)이 절연체(10)에 확실하게 고정되어 있는지 아닌지를 확인하였다. A판정은 중심전극(20)이 절연체(10)에 확실하게 고정되어 있는 것을 나타내고 있다. B판정은 중심전극(20)이 절연체(10)에 대해서 움직이는 것을 나타내고 있다. 내충격 시험에서는 1종류의 샘플의 판정을 위해서 1개의 샘플이 시험되었다.
생산성 시험에서는 30개의 샘플을 제조한 경우의 불량 발생수가 평가되었다. 제조된 샘플의 중심전극(20)과 금속 단자(40)의 사이의 전기 저항이 소정의 적정 범위의 상한값 이상의 소정의 한계값(threshold) 이상인 경우에, 그 샘플이 불량이라고 판정되었다. A판정은 불량 발생수가 0개인 것을 나타내고, B판정은 불량 발생수가 1개인 것을 나타내고, C판정은 불량 발생수가 2개 이상인 것을 나타내고 있다.
표 2에 나타낸 바와 같이, 비율(M/S)이 클수록 내충격 판정이 양호하였다. 그 이유는, 비율(M/S)이 큰 경우에는 중심전극(20)과 제 1 밀봉부(60)의 각각의 외경에 대한 중심전극(20)과 제 1 밀봉부(60)의 접촉면적(M)이 크기 때문에, 중심전극(20)과 제 1 밀봉부(60)의 밀착성이 향상되기 때문이다. A판정을 실현한 비율(M/S)은 2.0, 2.5, 2.7, 2.8, 3.0, 3.1, 3.2이었다. 이들의 값에서 임의로 선택된 값을 비율(M/S)의 바람직한 범위의 하한으로서 채용하는 것이 가능하다. 예를 들면, 비율(M/S)로서는 2.0 이상의 값을 채용하여도 좋다.
또, 표 2에 나타낸 바와 같이, 비율(M/S)이 작을수록 생산성의 판정 결과가 양호하였다. 그 이유는 이하와 같이 추정된다.
비율(M/S)이 큰 경우에는 비율(M/S)이 작은 경우에 비해서 중심전극(20)의 단면(28)의 오목부가 깊다. 오목부가 깊은 경우, 스파크 플러그(100)의 제조시에 제 1 밀봉부(60)의 재료가 오목부의 바닥에 닿기 어렵다. 따라서, 중심전극(20)과 제 1 밀봉부(60)의 사이에 간극이 형성될 수 있다. 그 결과, 중심전극(20)과 제 1 밀봉부(60)의 도통 불량이 생기기 쉽다. 생산성의 A판정 또는 B판정을 실현한 비율(M/S)은 1.8, 1.9, 2.0, 2.5, 2.7, 2.8, 3.0이었다. 이들의 값에서 임의로 선택된 값을 비율(M/S)의 바람직한 범위의 상한으로서 채용하는 것이 가능하다. 예를 들면, 비율(M/S)로서는 3.0 이하의 값을 채용하여도 좋다.
또한, 내충격성과 생산성은 제 1 밀봉부(60)와 중심전극(20)의 접촉면적(M)으로부터 받는 영향이 크고, 다른 구성으로부터 받는 영향은 작다고 추정된다. 예를 들면, 표 1의 10번과 11번의 사이에서는 평균 내경(D1)과 평균 외경(D2)과 길이(L)가 모두 다르다. 그리고, 표 2에 나타낸 바와 같이, 표 1의 10번에 근거하는 16번∼22번의 그룹과 표 1의 11번에 근거하는 23번∼25번의 그룹의 쌍방의 그룹에 있어서, 상기한 바람직한 범위 내의 비율(M/S)이 양호한 내충격 판정과 양호한 생산성을 실현하였다. 이와 같이, 평균 내경(D1)과 평균 외경(D2)과 길이(L)로부터의 영향은 작다고 추정된다. 또한, 중심전극(20)의 제 1 밀봉부(60)에 접촉하는 면의 형상에 관계없이, 비율(M/S)이 큰 경우에는 중심전극(20)과 제 1 밀봉부(60)의 밀착성이 향상되기 때문에, 내충격성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 비율(M/S)이 작은 경우에는, 중심전극(20)의 표면에 제 1 밀봉부(60)의 재료가 닿기 어려운 부분이 형성되는 것이 억제되기 때문에, 생산성을 향상시킬 수 있다. 이와 같이, 비율(M/S)의 상기한 바람직한 범위는 평균 내경(D1)과 평균 외경(D2)과 길이(L)의 여러 가지 조합에 적용 가능하다고 추정되고, 그리고 중심전극(20)의 제 1 밀봉부(6O)에 접촉하는 면의 여러 가지 형상에 적용 가능하다고 추정된다. 다만, 비율(M/S)이 상기한 바람직한 범위 외이어도 좋다.
C. 변형예:
(1) 스파크 플러그의 구성으로서는, 도 1 및 도 2의 구성 대신에 다른 여러 가지 구성을 채용하는 것이 가능하다. 예를 들면, 상기한 실시형태에서는, 절연체(10)의 대상부분(10L) 중 내경 축소부(16)보다도 후단측의 내경은 일정하였으나, 이것에 한정하지 않고, 내경 축소부(16)보다도 후단측에 축선(CL)에 평행한 방향의 위치에 대응하여 내경이 변화하는 부분이 형성되어 있어도 좋다. 또, 절연체(10)의 대상부분(10L)의 외경이 축선(CL)에 평행한 방향의 위치에 대응하여 변화하고 있어도 좋다. 또, 금속 쉘(50)의 내주면 중 대상부분(10L)에 대향하는 부분의 형상이 대상부분(10L)의 외주면의 형상과 다르게 되어 있어도 좋다. 이와 같이, 대상부분(10L)과 금속 쉘(50)의 사이의 간극의 크기가 축선(CL)에 평행한 방향의 위치에 대응하여 변화하여도 좋다. 통상은 대상부분(10L)과 금속 쉘(50)의 사이의 간극이 0보다도 큰 경우에는, 커패시터(C)의 정전용량은 용량 평가값(Cp)에 「2πε」를 곱하여 얻어지는 정전용량보다도 작아지게 된다. 따라서, 절연체(10)와 금속 쉘(50)의 각각의 구성{특히 대상부분(10L)의 구성과, 금속 쉘(50)의 대상부분(10L)에 대향하는 부분의 구성}이 상기한 실시형태의 구성과는 다른 경우라 하더라도, 용량 평가값(Cp)이 상기한 바람직한 범위 내에 있는 경우에는 전극(20, 30)의 소모를 억제할 수 있다고 추정된다.
또, 중심전극(20)의 제 1 밀봉부(60)에 접촉하는 면에 널링 가공이 실시되어 있어도 좋고, 복수의 오목부와 복수의 볼록부 중 적어도 일방이 형성되어 있어도 좋다. 이것에 의해서 접촉면적(M)을 증대시킬 수 있다. 또, 중심전극의 전방향(Df)측의 단면 대신에 중심축(CL)에 수직한 방향의 면(즉, 측면)이 방전면이어도 좋다. 또, 중심전극의 형상과 접지전극의 형상의 각각은 상기한 형상 대신에 다른 임의의 형상이어도 좋다.
이상과 같이 실시형태, 변형예에 근거하여 본 발명에 대해서 설명하였으나, 상기한 발명의 실시형태는 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 본 발명은 그 취지 및 특허청구범위를 일탈하는 일 없이 변경, 개량될 수 있음과 아울러 본 발명에는 그 등가물이 포함된다.
5 - 개스킷 6 - 제 1 후단측 패킹
7 - 제 2 후단측 패킹 8 - 선단측 패킹
9 - 탈크 10 - 절연체
10L - 대상부분(對象部分) 11 - 제 2 외경 축소부
12 - 축구멍 12x - 후측 개구
13 - 다리부 14 - 내경 소경부(小徑部)
14L - 직선부분 15 - 제 1 외경 축소부
16 - 내경 축소부 16L - 직선부분
17 - 선단측 몸통부 18 - 후단측 몸통부
19 - 대경부(大徑部) 20 - 중심전극
21 - 외층 22 - 코어부
24 - 머리부 27 - 축부
28 - 단면 29 - 제 1 팁
30 - 접지전극 31 - 선단부
35 - 모재 36 - 코어부
37 - 축부 39 - 제 2 팁
40 - 금속 단자 50 - 금속 쉘
51 - 공구 걸어맞춤부 52 - 나사부
53 - 크림핑부 54 - 시트부
55 - 몸통부 56 - 내경 축소부
57 - 선단면 58 - 변형부
59 - 관통구멍 60 - 제 1 밀봉부
62 - 접촉선 70 - 저항체
80 - 제 2 밀봉부 100 - 스파크 플러그
300 - 접속부 g - 갭
C - 커패시터 CL - 중심축(축선)
P - 공간 Df - 선단방향(전방향)
Dfr - 후단방향(후방향)

Claims (3)

  1. 축선방향으로 연장되는 축구멍을 가지는 통 형상의 절연체와,
    상기 축구멍의 선단에서 중심전극의 선단이 돌출되도록 상기 절연체의 내측에 유지된 중심전극과,
    상기 축구멍 내의 상기 중심전극보다 후단측에 배치되는 저항체와,
    상기 축구멍 내의 상기 저항체와 상기 중심전극의 사이에 배치되어 상기 저항체와 상기 중심전극을 접속하는 밀봉부를 구비하고,
    상기 절연체는 상기 축구멍의 선단측으로 향해서 내경이 작아지게 되는 내경 축소부와, 상기 내경 축소부의 상기 축구멍의 선단측에 형성된 부분인 내경 소경부를 구비하고,
    상기 중심전극은 상기 내경 소경부보다도 상기 축구멍의 후단측에 배치되며 상기 내경 소경부의 내경보다도 큰 외경을 가지는 부분인 머리부를 구비하고,
    상기 절연체의 상기 내경 축소부에 상기 중심전극의 상기 머리부가 지지되어 있는 스파크 플러그로서,
    상기 절연체 중, 상기 내경 축소부와 상기 내경 소경부의 경계에서부터 상기 밀봉부의 후단까지의 부분인 대상부분(對象部分)의 상기 축선방향의 길이를 L이라 하고,
    상기 절연체의 상기 대상부분에 있어서의 상기 축구멍의 평균 내경을 D1이라 하고,
    상기 절연체의 상기 대상부분의 평균 외경을 D2라 하고,
    Cp=L/log(D2/D1)이라 하였을 경우에,
    1.8㎜≤L이고 또한 Cp≤11㎜인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연체의 상기 대상부분에 있어서의 상기 축구멍의 상기 축선에 수직한 단면적의 최대값을 S라 하고,
    상기 밀봉부와 상기 중심전극의 접촉면적을 M이라 하였을 경우에,
    2.0≤M/S≤3.0인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    D1≤3㎜인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
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