KR101998536B1 - 스파크 플러그 - Google Patents

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Abstract

스파크 플러그의 내소모성을 향상시키면서, 귀금속 팁과 중간 부재의 접합 강도를 향상시킨다. 스파크 플러그의 전극은, 전극 모재와, 귀금속 팁과, 전극 모재와 귀금속 팁 사이에 배치되고, 귀금속 팁측에 위치하는 본체부와, 전극 모재측에 위치하는 플랜지부를 갖는 중간 부재와, 중간 부재의 본체부와 귀금속 팁 사이에 형성된 제 1 용융부와, 중간 부재의 플랜지부와 전극 모재의 사이에 있어서, 적어도 귀금속 팁의 축선과 교차하는 위치에 형성된 제 2 용융부를 구비한다. 귀금속 팁의 축선을 포함하는 단면에 있어서, 귀금속 팁의 직경을 Tw 로 하고, 제 1 용융부와 중간 부재의 경계와, 제 2 용융부와의 최단 거리를 S1 로 하고, 제 1 용융부와 중간 부재의 경계와, 제 2 용융부와의 최장 거리를 S2 로 할 때, 1.0 ㎜ ≤ Tw ≤ 1.2 ㎜, 또한, (S2－S1) ≤ 0.3 ㎜ 를 만족한다.

Description

스파크 플러그
본 발명은, 내연 기관에 있어서 연료 가스에 점화하기 위한 스파크 플러그에 관한 것이다.
내연 기관에 있어서 연소 가스에 점화하기 위해서 스파크 플러그에서는, 중심 전극과 접지 전극 사이에 불꽃을 방전하기 위한 간극이 형성된다. 여기서, 접지 전극의 전극 모재 상에 중간 부재를 개재하여 귀금속 팁을 장착한 스파크 플러그가 알려져 있다 (예를 들어, 특허문헌 1). 중간 부재는, 귀금속 팁을 전극 모재에 직접 장착하는 경우에 생길 수 있는 문제의 발생을 저감하기 위해서 사용된다. 예를 들어, 중간 부재를 개재시킴으로써, 귀금속 팁의 사용량을 저감할 수 있다.
특허문헌 1 의 기술에서는, 중간 부재를 용접에 의해 전극 모재에 접합할 때에, 중간 부재와 전극 모재 사이에 형성되는 너깃의 치수와, 전극 모재의 배치면으로부터 귀금속 팁의 단면 (端面) 까지의 높이와, 귀금속 팁의 최대폭의 관계를 규정함으로써, 전극 모재와 중간 부재의 접합 강도를 향상시키고 있다.
일본 공개특허공보 2013-33670호
그런데, 내소모성의 향상의 관점에서 귀금속 팁의 대경화 (大徑化) 가 요구되고 있다. 귀금속 팁이 대경화되면, 귀금속 팁과 중간 부재 사이에 레이저 용접에 의해서 접합할 때에, 귀금속 팁과 중간 부재 사이에 형성되는 용융부에 가해지는 응력이 커지기 쉽다. 이 결과, 귀금속 팁과 중간 부재의 접합 강도의 확보가 곤란해질 가능성이 있다. 이 때문에, 전극 모재와 중간 부재의 접합 강도뿐만 아니라, 귀금속 팁과 중간 부재의 접합 강도를 향상시키는 기술이 요구되고 있다.
본 명세서는 스파크 플러그의 내소모성을 향상시키면서, 귀금속 팁과 중간 부재의 접합 강도를 향상시키는 기술을 개시한다.
본 명세서에 개시되는 기술은, 이하의 적용예로서 실현하는 것이 가능하다.
[적용예 1] 중심 전극과 접지 전극을 구비하고,
상기 중심 전극과 상기 접지 전극 중 적어도 일방의 전극은,
전극 모재와,
타방의 전극과의 사이에 간극을 형성하는 방전면을 갖는 귀금속 팁과,
상기 전극 모재와 상기 귀금속 팁 사이에 배치되고, 상기 귀금속 팁측에 위치하는 본체부와, 상기 본체부보다 대직경이고 상기 전극 모재측에 위치하는 플랜지부를 갖는 중간 부재와,
상기 중간 부재의 상기 본체부와 상기 귀금속 팁 사이에 형성된 제 1 용융부와,
상기 중간 부재의 상기 플랜지부와 상기 전극 모재 사이에 있어서, 적어도 상기 귀금속 팁의 축선과 교차하는 위치에 형성된 제 2 용융부를 구비하는 스파크 플러그로서,
상기 귀금속 팁의 축선을 포함하는 단면에 있어서,
상기 귀금속 팁의 직경을 Tw 로 하고,
상기 제 1 용융부와 상기 중간 부재의 경계와, 상기 제 2 용융부와의 최단 거리를 S1 로 하고,
상기 제 1 용융부와 상기 중간 부재의 경계와, 상기 제 2 용융부와의 최장 거리를 S2 로 할 때,
1.0 ㎜ ≤ Tw ≤ 1.2 ㎜, 또한 (S2－S1) ≤ 0.3 ㎜ 를 만족하는 것을 특징으로 하는, 스파크 플러그.
상기 구성에 의하면, 최장 거리 (S2) 와 최단 거리 (S1) 의 차 (S2－S1) 가, (S2－S1) ≤ 0.3 ㎜ 를 만족한다. 이 결과, 귀금속 팁의 직경 (Tw) 이 비교적 큰 경우, 구체적으로는 1.0 ㎜ ≤ Tw ≤ 1.2 ㎜ 인 경우라도, 중간 부재와 전극 모재를 용접할 때에 제 1 용융부에 가해지는 국소적인 응력을 억제할 수 있다. 따라서, 귀금속 팁의 직경 (Tw) 의 대경화에 의해 내소모성을 향상시키면서, 중간 부재와 전극 모재를 용접할 때에, 제 1 용융부에 크랙이 발생하는 것을 억제하여, 귀금속 팁과 중간 부재의 접합 강도를 향상시킬 수 있다.
[적용예 2] 적용예 1 에 기재된 스파크 플러그로서,
0.2 ㎜ ≤ S1 ≤ 0.4 ㎜ 를 만족하는 것을 특징으로 하는, 스파크 플러그.
상기 구성에 의하면, 최단 거리 (S1) 가 0.2 ㎜ 이상이기 때문에, 저항 용접시의 모멘트에 의해 제 1 용융부에 가해지는 응력을 억제할 수 있다. 또, 최단 거리 (S1) 가 0.4 ㎜ 이하이기 때문에, 귀금속 팁과 중간 부재의 용접시의 온도차를 억제하여, 제 1 용융부에 가해지는 열응력을 억제할 수 있다. 이 결과, 중간 부재와 전극 모재를 용접할 때에, 제 1 용융부에 크랙이 발생하는 것을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다. 따라서, 더욱 귀금속 팁과 중간 부재의 접합 강도를 향상시킬 수 있다.
[적용예 3] 적용예 1 또는 2 에 기재된 스파크 플러그로서,
상기 단면에 있어서,
상기 제 1 용융부와 상기 귀금속 팁의 경계와, 상기 제 2 용융부와의 최단 거리를 T1 로 하고,
상기 제 1 용융부와 상기 귀금속 팁의 경계와, 상기 제 2 용융부와의 최장 거리를 T2 로 할 때,
｜(T2－T1) － (S2－S1)｜ ≤ 0.4 ㎜ 를 만족하는 것을 특징으로 하는, 스파크 플러그.
｜(T2－T1) － (S2－S1)｜ 이 작을수록, 제 1 용융부에 가해지는 국소적인 응력을 억제할 수 있다. 상기 구성에 의하면, ｜(T2－T1) － (S2－S1)｜ 을 0.4 ㎜ 이하로 함으로써, 제 2 용융부에 가해지는 국소적인 응력을 억제할 수 있다. 이 결과, 중간 부재와 전극 모재를 용접할 때에, 제 2 용융부에 크랙이 발생하는 것을, 더욱 억제할 수 있다. 따라서, 더욱 귀금속 팁과 중간 부재의 접합 강도를 향상시킬 수 있다.
[적용예 4] 적용예 1 내지 3 중 어느 한 항에 기재된 스파크 플러그로서,
상기 전극 모재 및 상기 귀금속 팁은, 상기 접지 전극의 모재 및 팁인 것을 특징으로 하는, 스파크 플러그.
상기 구성에 의하면, 보다 연소실의 중심부에 가깝기 때문에 고온으로 되기 쉬우므로, 귀금속 팁과 중간 부재의 접합 강도가 요구되는 접지 전극에 있어서, 귀금속 팁과 중간 부재의 접합 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 여러 가지 양태로 실현하는 것이 가능하며, 예를 들어, 스파크 플러그나 스파크 플러그용의 전극, 스파크 플러그를 탑재하는 내연 기관이나, 그 스파크 플러그를 사용한 점화 장치, 그 점화 장치를 탑재하는 내연 기관 등의 양태로 실현할 수 있다.
도 1 은 본 실시형태의 스파크 플러그 (100) 의 단면도이다.
도 2 는 스파크 플러그 (100) 의 선단 근방을 나타내는 도면이다.
도 3 은 접지 전극 (30) 의 제조 방법의 설명도이다.
도 4 는 제 3 평가 시험의 평가 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5 는 변형예의 돌출부 (35) 를 나타내는 도면이다.
A. 실시형태
A-1. 스파크 플러그의 구성
이하, 본 발명의 실시의 양태를 실시형태에 기초하여 설명한다. 도 1 은 본 실시형태의 스파크 플러그 (100) 의 단면도이다. 도 1 의 일점 파선은, 스파크 플러그 (100) 의 축선 (CL) 을 나타내고 있다. 축선 (CL) 과 평행한 방향 (도 1 의 상하 방향) 을 축선 방향이라고도 부른다. 축선 (CL) 과 수직인 평면 상에 위치하고, 축선 (CL) 을 중심으로 하는 원의 직경 방향을 간단히 「직경 방향」이라고도 부르고, 당해 원의 둘레 방향을, 간단히 「둘레 방향」이라고도 부른다. 도 1 에 있어서의 하방향을 선단 방향 (FD) 이라고 부르고, 상방향을 후단 방향 (BD) 이라고도 부른다. 도 1 에 있어서의 하측을, 스파크 플러그 (100) 의 선단측이라고 부르고, 도 1 에 있어서의 상측을 스파크 플러그 (100) 의 후단측이라고 부른다.
이 스파크 플러그 (100) 는, 내연 기관에 장착되고, 내연 기관의 연소실 내에 있어서, 연료 가스의 착화를 위해서 사용된다. 스파크 플러그 (100) 는, 절연체로서의 절연 애자 (10) 와, 중심 전극 (20) 과, 접지 전극 (30) 과, 단자 금구 (40) 와, 주체 금구 (50) 를 구비한다.
절연 애자 (10) 는 알루미나 등을 소성하여 형성되어 있다. 절연 애자 (10) 는, 축선 방향을 따라 연장되고, 절연 애자 (10) 를 관통하는 관통공 (12) (축구멍) 을 갖는 대략 원통형상의 부재이다. 절연 애자 (10) 는, 플랜지부 (19) 와, 후단측 동체부 (18) 와, 선단측 동체부 (17) 와, 스텝부 (15) 와, 레그부 (13) 를 구비하고 있다. 후단측 동체부 (18) 는, 플랜지부 (19) 보다 후단측에 위치하고, 플랜지부 (19) 의 외경보다 작은 외경을 가지고 있다. 선단측 동체부 (17) 는, 플랜지부 (19) 보다 선단측에 위치하고, 플랜지부 (19) 의 외경보다 작은 외경을 가지고 있다. 레그부 (13) 는, 선단측 동체부 (17) 보다 선단측에 위치하고, 선단측 동체부 (17) 의 외경보다 작은 외경을 가지고 있다. 레그부 (13) 는, 스파크 플러그 (100) 가 내연 기관 (도시 생략) 에 장착되었을 때에는, 그 연소실에 노출된다. 스텝부 (15) 는, 레그부 (13) 와 선단측 동체부 (17) 의 사이에 형성되어 있다.
주체 금구 (50) 는, 도전성의 금속 재료 (예를 들어, 저탄소강재) 로 형성되고, 내연 기관의 엔진 헤드 (도시 생략) 에 스파크 플러그 (100) 를 고정시키기 위한 원통형상의 금구이다. 주체 금구 (50) 는, 축선 (CL) 을 따라서 관통하는 삽입공 (59) 이 형성되어 있다. 주체 금구 (50) 는, 절연 애자 (10) 의 외주에 배치된다. 즉, 주체 금구 (50) 의 삽입공 (59) 내에, 절연 애자 (10) 가 삽입·유지되어 있다. 절연 애자 (10) 의 선단은, 주체 금구 (50) 의 선단보다 선단측으로 돌출되어 있다. 절연 애자 (10) 의 후단은, 주체 금구 (50) 의 후단보다 후단측으로 돌출되어 있다.
주체 금구 (50) 는, 스파크 플러그 렌치가 걸어맞춰지는 육각기둥형상의 공구 걸어맞춤부 (51) 와, 내연 기관에 장착시키기 위한 장착 나사부 (52) 와, 공구 걸어맞춤부 (51) 와 장착 나사부 (52) 사이에 형성된 플랜지형상의 시트부 (54) 를 구비하고 있다. 장착 나사부 (52) 의 공칭 직경은, 예를 들어, M8 (8 ㎜), M10, M12, M14, M18 중 어느 것으로 되어 있다.
주체 금구 (50) 의 장착 나사부 (52) 와 시트부 (54) 사이에는, 금속판을 절곡하여 형성된 환상의 개스킷 (5) 이 끼워 넣어져 있다. 개스킷 (5) 은, 스파크 플러그 (100) 가 내연 기관에 장착되었을 때에, 스파크 플러그 (100) 와 내연 기관 (엔진 헤드) 의 간극을 봉지 (封止) 한다.
주체 금구 (50) 는, 또한 공구 걸어맞춤부 (51) 의 후단측에 형성된 얇은 두께의 크림프부 (53) 와, 시트부 (54) 와 공구 걸어맞춤부 (51) 사이에 형성된 얇은 두께의 압축 변형부 (58) 를 구비하고 있다. 주체 금구 (50) 에 있어서의 공구 걸어맞춤부 (51) 로부터 크림프부 (53) 에 이르는 부위의 내주면과, 절연 애자 (10) 의 후단측 동체부 (18) 의 외주면과의 사이에 형성되는 환상의 영역에는, 환상의 링 부재 (6, 7) 가 배치되어 있다. 당해 영역에 있어서의 2 개의 링 부재 (6, 7) 사이에는, 탤크 (활석) (9) 의 분말이 충전되어 있다. 크림프부 (53) 의 후단은, 직경 방향 내측으로 절곡되어, 절연 애자 (10) 의 외주면에 고정되어 있다. 주체 금구 (50) 의 압축 변형부 (58) 는, 제조시에 있어서, 절연 애자 (10) 의 외주면에 고정된 크림프부 (53) 가 선단측으로 가압됨으로써, 압축 변형된다. 압축 변형부 (58) 의 압축 변형에 의해, 링 부재 (6, 7) 및 탤크 (9) 를 개재하여, 절연 애자 (10) 가 주체 금구 (50) 내에서 선단측을 향해 가압된다. 금속제의 환상의 판 패킹 (8) 을 개재하여, 주체 금구 (50) 의 장착 나사부 (52) 의 내주에 형성된 스텝부 (56) (금구측 스텝부) 에 의해, 절연 애자 (10) 의 스텝부 (15) (절연 애자측 스텝부) 가 가압된다. 이 결과, 내연 기관의 연소실 내의 가스가, 주체 금구 (50) 와 절연 애자 (10) 의 간극으로부터 외부로 새어나가는 것이, 판 패킹 (8) 에 의해 방지된다.
중심 전극 (20) 은, 축선 방향으로 연장되는 봉형상의 중심 전극 본체 (21) 와, 중심 전극 본체 (21) 의 선단에 접합된 원기둥형상의 중심 전극 팁 (29) 을 구비하고 있다. 중심 전극 본체 (21) 는, 절연 애자 (10) 의 관통공 (12) 의 내부의 선단측 부분에 배치되어 있다. 중심 전극 본체 (21) 는, 전극 모재 (21A) 와, 전극 모재 (21A) 의 내부에 매설된 코어부 (21B) 를 포함하는 구조를 갖는다. 전극 모재 (21A) 는, 예를 들어, 니켈 또는 니켈을 주성분으로 하는 합금, 본 실시형태에서는 NCF600 으로 형성되어 있다. 코어부 (21B) 는, 전극 모재 (21A) 를 형성하는 합금보다 열전도성이 우수한 구리 또는 구리를 주성분으로 하는 합금, 본 실시형태에서는 구리로 형성되어 있다.
또, 중심 전극 본체 (21) 는, 축선 방향의 소정의 위치에 형성된 플랜지부 (24) 와, 플랜지부 (24) 보다 후단측 부분인 헤드부 (23) (전극 헤드부) 와, 플랜지부 (24) 보다 선단측의 부분인 레그부 (25) (전극 레그부) 를 구비하고 있다. 플랜지부 (24) 는, 절연 애자 (10) 의 스텝부 (16) 에 지지되어 있다. 레그부 (25) 의 선단 부분, 즉, 중심 전극 본체 (21) 의 선단은, 절연 애자 (10) 의 선단보다 선단측으로 돌출되어 있다. 중심 전극 팁 (29) 에 대해서는 후술한다.
접지 전극 (30) 은, 주체 금구 (50) 의 선단에 접합된 접지 전극 모재 (31) 와, 접지 전극 모재 (31) 의 선단부 (31A) 의 후단측의 표면 (31S) 으로부터, 중심 전극 팁 (29) 을 향해 돌출되는 돌출부 (35) 를 구비하고 있다. 접지 전극 (30) 에 대해서는, 후술한다.
단자 금구 (40) 는, 축선 방향으로 연장되는 봉형상의 부재이다. 단자 금구 (40) 는, 도전성의 금속 재료 (예를 들어, 저탄소강) 로 형성되고, 단자 금구 (40) 의 표면에는, 방식 (防蝕) 을 위한 금속층 (예를 들어, Ni 층) 이 도금 등에 의해 형성되어 있다. 단자 금구 (40) 는, 축선 방향의 소정 위치에 형성된 플랜지부 (42) (단자 악부 (顎部)) 와, 플랜지부 (42) 보다 후단측에 위치하는 캡 장착부 (41) 와, 플랜지부 (42) 보다 선단측의 레그부 (43) (단자 레그부) 를 구비하고 있다. 단자 금구 (40) 의 캡 장착부 (41) 는, 절연 애자 (10) 보다 후단측에 노출되어 있다. 단자 금구 (40) 의 레그부 (43) 는, 절연 애자 (10) 의 관통공 (12) 에 삽입되어 있다. 캡 장착부 (41) 에는, 고압 케이블 (도시 생략) 이 접속된 플러그 캡이 장착되고, 불꽃 방전을 발생하기 위한 고전압이 인가된다.
절연 애자 (10) 의 관통공 (12) 내에 있어서, 단자 금구 (40) 의 선단 (레그부 (43) 의 선단) 과 중심 전극 (20) 의 후단 (헤드부 (23) 의 후단) 사이에는, 불꽃 발생시의 전파 노이즈를 저감하기 위한 저항체 (70) 가 배치되어 있다. 저항체 (70) 는, 예를 들어, 주성분인 유리 입자와, 유리 이외의 세라믹 입자와, 도전성 재료를 포함하는 조성물로 형성되어 있다. 관통공 (12) 내에 있어서, 저항체 (70) 와 중심 전극 (20) 의 간극은, 도전성 시일 (60) 에 의해 메워져 있다. 저항체 (70) 와 단자 금구 (40) 의 간극은, 도전성 시일 (80) 에 의해 메워져 있다. 도전성 시일 (60, 80) 은, 예를 들어, B2O3-SiO2 계 등의 유리 입자와 금속 입자 (Cu, Fe 등) 를 포함하는 조성물로 형성되어 있다.
A-2. 스파크 플러그 (100) 의 선단 부분의 구성 :
상기 스파크 플러그 (100) 의 선단 근방의 구성에 대해, 추가로 상세하게 설명한다. 도 2 는, 스파크 플러그 (100) 의 선단 근방을 나타내는 도면이다. 도 2(A) 에는, 스파크 플러그 (100) 의 선단 근방을 축선 (CL) 이 포함되는 특정면으로 절단한 단면이 도시되어 있다. 도 2(B) 에는, 도 2(A) 의 단면에 있어서의 돌출부 (35) 근방의 확대도가 도시되어 있다.
중심 전극 팁 (29) 은, 대략 원기둥 형상을 가지고 있고, 예를 들어 레이저 용접을 사용하여, 즉, 레이저 용접에 의해 형성되는 용융부 (27) 를 통하여, 중심 전극 본체 (21) 의 선단 (레그부 (25) 의 선단) 에 접합되어 있다 (도 2(A)). 용융부 (27) 는, 중심 전극 팁 (29) 의 성분과 중심 전극 본체 (21) 의 성분이 용융 응고된 부분이다. 중심 전극 팁 (29) 은, 고융점의 귀금속을 주성분으로 하는 재료로 형성되어 있다. 중심 전극 팁 (29) 은, 예를 들어, 백금 (Pt) 을 사용하여 형성되어 있다. 이것을 대신하여, 중심 전극 팁 (29) 은, 이리듐 (Ir), 혹은, 백금이나 이리듐을 주성분으로 하는 합금을 사용하여 형성되어 있어도 된다.
접지 전극 모재 (31) 는, 단면이 사각형의 만곡된 봉형상체이다. 접지 전극 모재 (31) 의 후단부 (31B) 는, 주체 금구 (50) 의 선단면 (50A) 에 접합되어 있다. 이로써, 주체 금구 (50) 와 접지 전극 모재 (31) 는, 전기적으로 접속된다. 접지 전극 모재 (31) 의 선단부 (31A) 는, 자유단이다.
접지 전극 모재 (31) 는, 예를 들어, NCF601 등의 니켈 합금을 사용하여 형성되어 있다. 접지 전극 모재 (31) 에는, 니켈 합금보다 열전도율이 높은 금속, 예를 들어, 구리나 구리를 포함하는 합금을 사용하여 형성된 코어재가 매설되어 있어도 된다.
돌출부 (35) 는, 귀금속 팁 (351) 과, 중간 부재 (353) 와, 제 1 용융부 (352) 를 구비하고 있다.
귀금속 팁 (351) 은, 축선 방향으로 연장되는 대략 원기둥 형상을 가지고 있으며, 백금을 사용하여 형성되어 있다. 이것을 대신하여, 귀금속 팁 (351) 은, 이리듐 (Ir), 혹은, 백금이나 이리듐을 주성분으로 하는 합금을 사용하여 형성되어 있어도 된다. 귀금속 팁 (351) 의 후단면은, 중심 전극 팁 (29) 의 선단측의 방전면 (29A) 과의 사이에서, 간극 (G) (불꽃 갭) 을 형성하는 방전면 (351B) 이다. 귀금속 팁 (351) 의 선단면은, 제 1 용융부 (352) 와 접하고 있다. 귀금속 팁 (351) 의 직경 (방전면 (351B) 의 직경) 을 Tw 로 한다. 귀금속 팁 (351) 의 직경 (Tw) 이 클수록, 귀금속 팁 (351) 의 볼륨을 크게 할 수 있으므로, 스파크 플러그 (100) 의 내소모성을 향상시킬 수 있다.
중간 부재 (353) 는, 본체부 (353A) 와, 본체부 (353A) 보다 선단측, 즉, 접지 전극 모재 (31) 측에 위치하는 플랜지부 (353B) 를 구비하고 있다. 중간 부재 (353) 는, 예를 들어 니켈을 주성분으로 하는 합금, 예를 들어, 니켈에 알루미늄 (Al) 이나 규소 (Si) 를 첨가한 합금을 사용하여 형성되어 있다. 본체부 (353A) 는, 축선 방향으로 연장되는 대략 원기둥 형상을 가지고 있다. 본체부 (353A) 의 후단면은, 제 1 용융부 (352) 와 접하고 있다. 본체부 (353A) 의 직경은, 귀금속 팁 (351) 의 직경 (Tw) 과 거의 동등하다, 즉, 직경 (Tw) 과 동일하거나 혹은 직경 (Tw) 보다 조금 크다. 플랜지부 (353B) 는, 본체부 (353A) 및 귀금속 팁 (351) 의 외경보다 큰 외경 (Fw) 을 갖는 원반형상의 부분이다. 따라서, 플랜지부 (353B) 는, 본체부 (353A) 보다 선단측에 있어서, 본체부 (353A) 의 외주면으로부터 직경 방향의 외측으로 연장되는 부분을 포함하고 있다.
제 1 용융부 (352) 는, 레이저 용접에 의해서, 귀금속 팁 (351) 과 중간 부재 (353) 사이에 형성되어 있다. 제 1 용융부 (352) 는, 귀금속 팁 (351) 의 성분과 중간 부재 (353) 의 성분이 용융 응고된 부분이다. 바꾸어 말하면, 제 1 용융부 (352) 를 통하여, 중간 부재 (353) 의 본체부 (353A) 의 후단측에, 귀금속 팁 (351) 이 접합되어 있다. 도 2(B) 의 예에서는, 제 1 용융부 (352) 는, 돌출부 (35) 의 전체 둘레에 걸쳐서 형성되어 있고, 축선 (CL) 과 교차하는 위치에도 형성되어 있다.
돌출부 (35) 의 선단면 (35S), 즉, 중간 부재 (353) 의 플랜지부 (353B) 의 선단면 (35S) 은, 접지 전극 모재 (31) 의 선단부 (31A) 의 표면 (31S) 에, 저항 용접에 의해서 접합되어 있다. 그리고, 플랜지부 (353B) 의 선단면 (35S) 과 접지 전극 모재 (31) 의 표면 (31S) 사이에 있어서, 적어도 귀금속 팁 (351) 의 축선 (CL) 과 교차하는 위치에는, 제 2 용융부 (354) 가 형성되어 있다. 제 2 용융부 (354) 는, 저항 용접에 의해서, 중간 부재 (353) 의 성분과 접지 전극 모재 (31) 의 성분이 용융 응고된 부분으로, 너깃이라고도 불린다.
제 2 용융부 (354) 는, 저항 용접의 조건에 따라, 다양한 크기 및 형상을 가질 수 있다. 도 2(B) 의 제 2 용융부 (354) 는, 전체적으로 원반 형상을 가지고 있다. 그리고, 제 2 용융부 (354) 와 중간 부재 (353) 의 경계면의 형상은, 후단측으로 볼록한 그릇 형상을 갖고, 제 2 용융부 (354) 와 접지 전극 모재 (31) 의 경계면의 형상은, 선단측으로 볼록한 그릇 형상을 가지고 있다.
이와 같이, 중간 부재 (353) 를 사이에 두고, 귀금속 팁 (351) 을, 접지 전극 모재 (31) 에 고정시킴으로써, 비교적 고가의 재료로 형성되는 귀금속 팁 (351) 의 사용량을 증대시키지 않고서, 귀금속 팁 (351) 을 포함한 돌출부 (35) 의 돌출 길이 (Dh) (도 2(B)) 를 길게 할 수 있다. 돌출 길이 (Dh) 를 길게 함으로써, 간극 (G) 에 발생한 불꽃에 의해 착화된 연료 가스의 연소의 확대가, 접지 전극 모재 (31) 에 의해 방해되는 것을 억제할 수 있다. 이 결과, 스파크 플러그 (100) 의 착화 성능을 향상시킬 수 있다.
여기서, 도 2(B) 의 단면에 있어서, 제 1 용융부 (352) 와 중간 부재 (353) 의 경계 (BL1) 와 제 2 용융부 (354) 사이의 최단 거리를 S1 로 하고, 경계 (BL1) 와 제 2 용융부 (354) 사이의 최장 거리를 S2 로 한다. 최단 거리 (S1) 는, 경계 (BL1) 상의 점 중 제 2 용융부 (354) 와의 거리가 가장 짧은 점과 제 2 용융부 (354) 사이의 거리라고 할 수 있다. 최장 거리 (S2) 는, 경계 (BL1) 상의 점 중 제 2 용융부 (354) 와의 거리가 가장 긴 점과 제 2 용융부 (354) 사이의 거리라고 할 수 있다. 도 2(B) 의 예에서는, 경계 (BL1) 상의 점 중 제 2 용융부 (354) 와의 거리가 가장 짧은 점은, 경계 (BL1) 와 축선 (CL) 의 교점과, 경계 (BL1) 와 돌출부 (35) 의 외주면의 교점과의 사이에 위치하는 점이다. 또, 경계 (BL1) 상의 점 중 제 2 용융부 (354) 와의 거리가 가장 긴 점은, 경계 (BL1) 와 축선 (CL) 의 교점이다.
또, 도 2(B) 의 단면에 있어서, 제 1 용융부 (352) 와 귀금속 팁 (351) 의 경계 (BL2) 와 제 2 용융부 (354) 사이의 최단 거리를 T1 로 하고, 경계 (BL2) 와 제 2 용융부 (354) 사이의 최장 거리를 T2 로 한다. 최단 거리 (T1) 는, 경계 (BL2) 상의 점 중 제 2 용융부 (354) 와의 거리가 가장 짧은 점과 제 2 용융부 (354) 사이의 거리라고 할 수 있다. 최장 거리 (T2) 는, 경계 (BL2) 상의 점 중 제 2 용융부 (354) 와의 거리가 가장 긴 점과 제 2 용융부 (354) 사이의 거리라고 할 수 있다. 도 2(B) 의 예에서는, 경계 (BL2) 상의 점 중 제 2 용융부 (354) 와의 거리가 가장 짧은 점은, 경계 (BL2) 와 축선 (CL) 의 교점이다. 또, 경계 (BL2) 상의 점 중 제 2 용융부 (354) 와의 거리가 가장 긴 점은, 경계 (BL2) 와 돌출부 (35) 의 외주면의 교점이다.
A-3. 접지 전극 (30) 의 제조 방법
도 3 은, 접지 전극 (30) 의 제조 방법의 설명도이다. 먼저, 제조자는, 용접 전의 원기둥 형상의 귀금속 팁 (351) 과, 용접 전의 중간 부재 (353) 를 준비한다. 용접 전의 중간 부재 (353) 는, 축선 (CL) 을 따라 연장되는 원기둥 형상의 본체부 (353A) 와, 본체부 (353A) 의 선단측에 배치된 플랜지부 (353B) 와, 볼록부 (353C) 를 구비하고 있다. 볼록부 (353C) 는, 중간 부재 (353) 의 선단면 (35S) 과 축선 (CL) 의 교점에 위치하고, 선단면 (35S) 으로부터 선단측으로 돌출되어 있다.
제조자는, 귀금속 팁 (351) 과 중간 부재 (353) 를, 레이저 용접을 사용하여 접합한다. 먼저, 도 3(A) 에 나타내는 바와 같이, 중간 부재 (353) 의 플랜지부 (353B) 가 클램프 (Cp) 를 사용하여 고정되고, 중간 부재 (353) 의 본체부 (353A) 의 후단면 상에, 귀금속 팁 (351) 이 배치된다. 그리고, 귀금속 팁 (351) 의 후단면이, 소정의 가압 부재 (Pr) 를 사용하여 가압된 상태로, 귀금속 팁 (351) 과 본체부 (353A) 의 접촉 부분에 대해, 직경 방향의 외측에서부터 내측을 향해, 축선 (CL) 과 대략 수직인 레이저 (Lz) 가 조사된다. 레이저 (Lz) 는, 예를 들어, 파이버 레이저 조사 장치 등의 조사 장치를 사용하여, 귀금속 팁 (351) 과 본체부 (353A) 의 접촉 부분에 조사된다. 그리고, 레이저 (Lz) 의 조사 장치에 대해, 귀금속 팁 (351) 과 본체부 (353A) 가, 축선 (CL) 을 중심으로, 상대적으로 회전됨으로써, 귀금속 팁 (351) 과 본체부 (353A) 의 접촉 부분의 전체 둘레에 걸쳐서, 레이저 (Lz) 가 조사된다. 이로써, 도 2(B) 에 나타내는 형상의 제 1 용융부 (352) 가 형성되어, 귀금속 팁 (351) 과 본체부 (353A) 가 접합된다.
이 때, 레이저 (Lz) 의 에너지, 집광 위치, 귀금속 팁 (351) 과 본체부 (353A) 의 회전 속도, 가압 부재 (Pr) 에 의한 압력 등의 조건을 조정함으로써, 제 1 용융부 (352) 의 형상을 제어할 수 있다. 예를 들어, 회전 속도를 빠르게, 또한 레이저 (Lz) 의 에너지를 강하게 함으로써, 제 1 용융부 (352) 의 축선 (CL) 상에 있어서의 두께와, 외주면에 있어서의 두께의 차이를 작게 할 수 있다.
다음으로, 도 3(B) 에 나타내는 바와 같이, 제조자는, 귀금속 팁 (351) 이 접합된 중간 부재 (353) (즉, 돌출부 (35)) 를, 봉형상의 접지 전극 모재 (31) 의 표면 (31S) 에, 저항 용접에 의해 고정시킨다. 이 때, 통형상의 용접용 전극 (Wd) 에 의해, 플랜지부 (353B) 의 후단측의 면이 가압된 상태로, 접지 전극 모재 (31) 와 중간 부재 (353) 사이에, 용접을 위한 전류를 흐르게 함으로써, 저항 용접이 이루어진다. 접지 전극 모재 (31) 의 표면 (31S) 과 볼록부 (353C) 가 접촉한 상태로부터 저항 용접이 개시되므로, 처음에, 볼록부 (353C) 에 전류가 집중된다. 이 때문에, 볼록부 (353C) 와, 접지 전극 모재 (31) 중 중간 부재 (353) 와 접촉하는 부분이 용융되어, 제 2 용융부 (354) 가 형성된다. 그 후에, 중간 부재 (353) 의 선단면 (35S) 이, 접지 전극 모재 (31) 의 표면 (31S) 에 접촉하여, 중간 부재 (353) 의 선단면 (35S) 과 접지 전극 모재 (31) 가 저항 용접된다. 이로써, 접지 전극 (30) 이 제조된다.
이 때, 볼록부 (353C) 의 형상이나 사이즈, 및, 저항 용접의 전류의 크기, 용접용 전극 (Wd) 에 압력 등의 저항 용접의 조건을 조정함으로써, 제 2 용융부 (354) 의 크기 및 형상을 제어할 수 있다. 예를 들어, 볼록부 (353C) 의 축선 방향의 길이가 길수록, 제 2 용융부 (354) 의 축선 방향의 길이가 길어지고, 볼록부 (353C) 의 축선 방향과 수직인 방향의 길이가 길수록, 제 2 용융부 (354) 의 축선 방향과 수직인 방향의 길이가 길어진다.
이 저항 용접시에, 플랜지부 (353B) 가 가압됨으로써, 도 3(B) 에 나타내는 바와 같이, 제 2 용융부 (354) (제 2 용융부 (354) 는, 도 3(B) 의 볼록부 (353C) 의 위치에 형성된다) 를 중심으로 한 모멘트 (MT) 가, 돌출부 (35) 의 내부에 발생한다. 이 모멘트는, 예를 들어, 돌출부 (35) 에 있어서의 축선 (CL) 과 수직인 단면을, 후단측 (도 3(B) 의 상측) 으로 볼록한 그릇 형상으로 휘어지도록 작용하는 힘이다. 귀금속 팁 (351) 의 직경 (Tw) 이 비교적 큰 경우에는, 이 모멘트 (MT) 에 의해, 제 1 용융부 (352) 의 외주면에 크랙이 발생하기 쉬워진다.
그래서, 본 실시형태의 스파크 플러그 (100) 에서는, 귀금속 팁의 직경 (Tw) 을 비교적 큰 값, 구체적으로는, 1.0 ㎜ ≤ Tw ≤ 1.2 ㎜ 로 하고, 또한, 상기 서술한 최장 거리 (S2) 와 최단 거리 (S1) 의 차분 (S2－S1) 이 0.3 ㎜ 이하가 되도록 구성되었다. 즉, 본 실시형태의 스파크 플러그 (100) 는, 1.0 ㎜ ≤ Tw ≤ 1.2 ㎜, 또한, (S2－S1) ≤ 0.3 ㎜ 를 만족한다. 구체적으로는, 최장 거리 (S2) 와 최단 거리 (S1) 의 차분 (S2－S1) 이 작을수록, 중간 부재 (353) 와 제 1 용융부 (352) 의 경계 (BL1) 에 있어서, 모멘트 (MT) 의 편차를 억제하여, 모멘트 (MT) 를 균일하게 할 수 있다. 이 결과, 귀금속 팁의 직경 (Tw) 이 비교적 큰 경우, 구체적으로는 1.0 ㎜ ≤ Tw ≤ 1.2 ㎜ 인 경우라도, 중간 부재 (353) 와 접지 전극 모재 (31) 를 용접할 때에 제 1 용융부 (352) 에 가해지는 국소적인 응력을 억제하여, 중간 부재 (353) 와 제 1 용융부 (352) 의 경계 (BL1) 에 있어서, 모멘트 (MT) 에 의한 휨을 억제할 수 있다. 따라서, 귀금속 팁 (351) 의 직경 (Tw) 의 대경화에 의해 내소모성을 향상시키면서, 중간 부재 (353) 와 접지 전극 모재 (31) 를 용접할 때에, 제 1 용융부 (352) 에 크랙이 발생하는 것을 억제하여, 귀금속 팁 (351) 과 중간 부재 (353) 의 접합 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 최단 거리 (S1) 는, 0.2 ㎜ ≤ S1 ≤ 0.4 ㎜ 를 만족하는 것이 바람직하다. 최단 거리 (S1) 가 짧을수록, 즉, 모멘트 (MT) 에 의한 휨의 곡률 반경이 작아지기 때문에, 특히, 제 1 용융부 (352) 의 외주면에 가해지는 응력이 커지기 쉽다. 이 때문에, 최단 거리 (S1) 가 0.2 ㎜ 미만이면, 제 1 용융부 (352) 에 크랙이 발생하기 쉬워진다. 또, 귀금속 팁 (351) 과 비교하여, 니켈 합금인 중간 부재 (353) 는 열전도율이 낮다 (즉, 열 전도가 나쁘다). 이 때문에, 최단 거리 (S1) 가 0.4 ㎜ 를 초과하면, 저항 용접에 의해 발생한 열이 중간 부재 (353) 에 갇혀, 중간 부재 (353) 가 고온이 되기 쉽다. 이에 대하여, 귀금속 팁 (351) 은 열전도율이 높기 때문에, 중간 부재 (353) 만큼 고온으로는 되지 않는다. 이 때문에, 귀금속 팁 (351) 과 중간 부재 (353) 의 온도차에 의해 발생하는 열응력에 의해서, 제 1 용융부 (352) 에 크랙이 발생하기 쉬워진다. 0.2 ㎜ ≤ S1 ≤ 0.4 ㎜ 를 만족하는 경우에는, 저항 용접시의 모멘트에 의해 제 1 용융부 (352) 에 가해지는 응력을 억제할 수 있음과 함께, 귀금속 팁 (351) 과 제 1 용융부 (352) 의 저항 용접시의 온도차를 억제하여, 제 1 용융부 (352) 에 가해지는 열응력을 억제할 수 있다. 이 결과, 중간 부재와 전극 모재를 용접할 때에, 제 1 용융부 (352) 에 크랙이 발생하는 것을, 더욱 효과적으로 억제할 수 있다. 따라서, 더욱 귀금속 팁과 중간 부재의 접합 강도를 향상시킬 수 있다.
그리고, 상기 서술한 최단 거리 (S1), 최장 거리 (S2) 와, 최단 거리 (T1), 최장 거리 (T2) 란, ｜(T2－T1) － (S2－S1)｜ ≤ 0.4 ㎜ 를 만족하는 것이 더욱 바람직하다. 중간 부재 (353) 와 제 1 용융부 (352) 의 경계 (BL1) 와 마찬가지로, 최장 거리 (T2) 와 최단 거리 (T1) 의 차분 (T2－T1) 이 작을수록, 귀금속 팁 (351) 과 제 1 용융부 (352) 의 경계 (BL2) 에 있어서도, 모멘트 (MT) 의 편차를 억제하여, 모멘트 (MT) 를 균일하게 할 수 있다. 이 때문에, 차분 (T2－T1) 이 작을수록, 귀금속 팁 (351) 과 제 1 용융부 (352) 의 경계 (BL2) 에 있어서, 모멘트 (MT) 에 의한 휨을 억제할 수 있다. 따라서, (T2－T1) 과 (S2－S1) 의 차분의 절대값 ｜(T2－T1) － (S2－S1)｜ 이 작을수록, 경계 (BL1) 에 있어서의 모멘트 (MT) 에 의한 휨과, 경계 (BL2) 에 있어서의 모멘트 (MT) 에 의한 휨의 차이를 작게 할 수 있다. 이 결과, 모멘트 (MT) 에 의해, 제 1 용융부 (352) 에 가해지는 응력을 더욱 억제할 수 있다. 따라서, 중간 부재 (353) 와 접지 전극 모재 (31) 를 용접할 때에, 제 1 용융부 (352) 에 크랙이 발생하는 것을 더욱 억제하여, 귀금속 팁 (351) 과 중간 부재 (353) 의 접합 강도를 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 실시형태와 같이, 상기 서술한 S1, S2 의 관계, S1 의 범위, 및 S1, S2, T1, T2 의 관계는, 접지 전극 (30) 에 대해 만족되는 것이 특히 바람직하다. 접지 전극 (30) 은, 중심 전극 (20) 보다 선단측에 위치하기 때문에, 보다 연소실의 중심부에 가까워, 고온으로 되기 쉽다. 이 때문에, 접지 전극 (30) 에서는, 중심 전극 (20) 보다 귀금속 팁과 중간 부재의 접합 강도가 요구된다. 따라서, 상기 실시형태에서는, 귀금속 팁 (351) 과 중간 부재 (353) 의 접합 강도가 요구되는 접지 전극 (30) 에 있어서, 귀금속 팁 (351) 과 중간 부재 (353) 의 접합 강도를 향상시킬 수 있다.
A-4. 제 1 평가 시험
스파크 플러그의 샘플을 사용하여, 귀금속 팁 (351) 과 중간 부재 (353) 의 접합 강도의 평가 시험이 실행되었다. 제 1 평가 시험에서는, 표 1 에 나타내는 바와 같이, 상기 서술한 최장 거리 (S2) 와 최단 거리 (S1) 의 차분 (S2－S1) 과, 귀금속 팁 (351) 의 직경 (Tw) 중 적어도 일방이 서로 상이한 66 종류의 샘플이 사용되었다.
Figure 112018043910112-pct00001
표 1 에 나타내는 바와 같이, 66 종류의 샘플에 있어서, 차분 (S2－S1) 은, 0.1 ㎜ 미만, 0.1 ㎜, 0.2 ㎜, 0.3 ㎜, 0.4 ㎜, 0.5 ㎜ 중 어느 것으로 되어 있다. 또, 귀금속 팁 (351) 의 직경 (Tw) 은, 0.8 ㎜, 0.85 ㎜, 0.9 ㎜, 0.95 ㎜, 1 ㎜, 1.05 ㎜, 1.1 ㎜, 1.15 ㎜, 1.2 ㎜, 1.25 ㎜, 1.3 ㎜ 중 어느 것으로 되어 있다.
각 샘플에 공통된 치수는, 다음과 같다.
레이저 용접 전의 귀금속 팁 (351) 의 두께 (Th) (도 3(A)) : 0.4 ㎜
레이저 용접 전의 중간 부재 (353) 의 본체부 (353A) 의 두께 (Fh) (도 3(A)) : 0.3 ㎜
돌출부 (35) 의 돌출 길이 (Dh) (도 2(B)) : 0.85 ㎜
시험자는, 표 1 의 직경 (Tw) 의 귀금속 팁 (351) 과, 직경 (Tw) 의 본체부 (353A) 를 갖는 중간 부재 (353) 를 준비하여, 레이저 용접의 조건을 변경하면서, 다양한 형상의 제 1 용융부 (352) 를 갖는 돌출부 (35) 를 구비한 접지 전극 (30) 을 제조하였다. 시험자는, 축선 (CL) 을 포함하는 면으로 접지 전극 (30) 을 절단한 단면에서, 차분 (S2－S1) 을 측정하였다. 그리고, 시험자는, 차분 (S2－S1) 이 원하는 값이 되는 레이저 용접의 조건을 특정하여, 당해 조건을 사용해서 샘플을 제조하였다.
제 1 평가 시험에서는, 각 샘플의 제 1 용융부 (352) 의 표면을 현미경에 의해 관찰하여, 크랙의 유무가 조사되었다. 그리고, 크랙이 발견된 경우에는, 당해 크랙의 중심을 통과하고 또한 축선 (CL) 을 포함하는 면으로, 샘플의 접지 전극 (30) 을 절단한 단면에 있어서, 크랙의 직경 방향의 길이 (깊이) 가 측정되었다. 크랙 없음, 혹은, 크랙의 길이가 0.1 ㎜ 미만인 샘플의 평가를 「A」로 하고, 크랙의 길이가 0.1 ㎜ 이상 0.15 ㎜ 이하인 샘플의 평가를 「B」로 하고, 크랙의 길이가 0.15 ㎜ 이상인 샘플의 평가를 「C」로 하였다. A, B, C 의 순으로, 귀금속 팁 (351) 과 중간 부재 (353) 의 접합 강도가 우수하다.
표 1 에 나타내는 바와 같이, 직경 (Tw) 이 1.1 ㎜ 이하인 샘플에서는, 차분 (S2－S1) 이 0.5 ㎜ 이하인 모든 샘플의 평가는 「A」였다. 직경 (Tw) 이 1.15 ㎜ 인 샘플에서는, 차분 (S2－S1) 이 0.5 ㎜ 인 샘플의 평가는 「B」이고, 차분 (S2－S1) 이 0.4 ㎜ 이하인 샘플의 평가는 「A」였다. 직경 (Tw) 이 1.2 ㎜ 인 샘플에서는, 차분 (S2－S1) 이 0.4 ㎜ 및 0.5 ㎜ 인 샘플의 평가는 「B」이고, 차분 (S2－S1) 이 0.3 ㎜ 이하인 샘플의 평가는 「A」였다. 직경 (Tw) 이 1.25 ㎜ 인 샘플에서는, 차분 (S2－S1) 이 0.5 ㎜ 인 샘플의 평가는 「C」이고, 차분 (S2－S1) 이 0.3 ㎜ 및 0.4 ㎜ 인 샘플의 평가는 「B」이고, 차분 (S2－S1) 이 0.2 ㎜ 이하인 샘플의 평가는 「A」였다. 직경 (Tw) 이 1.3 ㎜ 인 샘플에서는, 차분 (S2－S1) 이 0.4 ㎜ 및 0.5 ㎜ 인 샘플의 평가는 「C」이고, 차분 (S2－S1) 이 0.3 ㎜ 인 샘플의 평가는 「B」이고, 차분 (S2－S1) 이 0.2 ㎜ 이하인 샘플의 평가는 「A」였다.
이상으로부터, 적어도 1.0 ㎜ ≤ Tw ≤ 1.2 ㎜ 의 범위에서는, (S2－S1) ≤ 0.3 ㎜ 를 만족하는 것이 바람직하다는 것을 확인할 수 있었다. 이렇게 하면, 제 1 용융부 (352) 에 크랙이 발생하는 것을 억제하여, 귀금속 팁 (351) 과 중간 부재 (353) 의 접합 강도를 향상시킬 수 있다.
또, Tw 가 1.25 ㎜ 및 1.3 ㎜ 인 경우에는, (S2－S1) ≤ 0.2 ㎜ 를 만족하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있었다.
A-5. 제 2 평가 시험
제 2 평가 시험에서는, 표 2 에 나타내는 바와 같이, 최장 거리 (S2) 와 최단 거리 (S1) 의 차분 (S2－S1) 이 0.2 ㎜ 로 고정되고, 또한 엄격한 평가가 이루어졌다. 제 2 평가 시험에서는, 귀금속 팁 (351) 의 직경 (Tw) 과 최단 거리 (S1) 중 적어도 일방이 서로 상이한 81 종류의 샘플이 사용되었다.
Figure 112018043910112-pct00002
표 2 에 나타내는 바와 같이, 81 종류의 샘플에 있어서, 최단 거리 (S1) 는, 0.1 ㎜, 0.15 ㎜, 0.2 ㎜, 0.25 ㎜, 0.3 ㎜, 0.35 ㎜, 0.4 ㎜, 0.45 ㎜, 0.5 ㎜ 중 어느 것으로 되어 있다. 또, 귀금속 팁 (351) 의 직경 (Tw) 은, 0.8 ㎜, 0.85 ㎜, 0.9 ㎜, 0.95 ㎜, 1 ㎜, 1.05 ㎜, 1.1 ㎜, 1.15 ㎜, 1.2 ㎜ 중 어느 것으로 되어 있다.
최단 거리 (S1) 는, 레이저 용접 전의 귀금속 팁 (351) 의 두께 (Th) 와, 레이저 용접 전의 중간 부재 (353) 의 본체부 (353A) 의 두께 (Fh) 를 조정함으로써 변경되었다.
제 2 평가 시험에서는, 제 1 평가 시험와 마찬가지로, 각 샘플에 대해, 크랙의 유무와, 크랙의 직경 방향의 길이 (깊이) 가 측정되었다. 크랙 없음인 샘플의 평가를 「A」로 하고, 크랙의 길이가 0.01 ㎜ 미만인 샘플의 평가를 「B」로 하고, 크랙의 길이가 0.01 ㎜ 이상 0.05 ㎜ 이하인 샘플의 평가를 「C」로 하고, 크랙의 길이가 0.05 ㎜ 이상인 샘플의 평가를 「D」로 하였다. A, B, C, D 의 순으로, 귀금속 팁 (351) 과 중간 부재 (353) 의 접합 강도가 우수하다.
표 2 에 나타내는 바와 같이, 직경 (Tw) 이 1.0 ㎜ 미만인 샘플에서는, 최단 거리 (S1) 의 값에 상관없이, 모든 샘플의 평가는 「B」이상이었다. 이것은, 직경 (Tw) 이 1.0 ㎜ 미만인 샘플에서는, 상기 서술한 모멘트 (MT) 에 의한 휨의 정도가 비교적 작기 때문이라고 생각된다.
직경 (Tw) 이 1.0 ㎜ 이상 1.2 ㎜ 미만인 샘플에서는, 최단 거리 (S1) 의 값이 0.2 ㎜ 미만인 샘플, 즉, 최단 거리 (S1) 가 0.1 ㎜, 0.15 ㎜ 인 샘플의 평가는 「C」이하였다. 또, 직경 (Tw) 이 1.0 ㎜ 이상 1.2 ㎜ 미만인 샘플에서는, 최단 거리 (S1) 의 값이 0.4 ㎜ 를 초과하는 샘플, 즉, 최단 거리 (S1) 가 0.45 ㎜, 0.5 ㎜ 인 샘플의 평가는 「C」이하였다.
이에 반하여, 직경 (Tw) 이 1.0 ㎜ 이상 1.2 ㎜ 미만인 샘플에서는, 최단 거리 (S1) 의 값이 0.2 ㎜ 이상 0.4 ㎜ 이하인 샘플의 평가는 「B」이상이었다. 이상으로부터, 스파크 플러그 (100) 에 있어서, 0.2 ㎜ ≤ S1 ≤ 0.4 ㎜ 를 만족하는 것이, 더욱 바람직하다는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 상세하게 보면, 직경 (Tw) 이 1 ㎜ 인 샘플에서는, 최단 거리 (S1) 가 0.25 ㎜, 0.3 ㎜ 인 샘플의 평가는 「A」였다. 따라서, 직경 (Tw) 가 1.0 ㎜ 인 경우에는, 최단 거리 (S1) 가 0.25 ㎜, 0.3 ㎜ 인 것이 특히 바람직하다는 것을 알 수 있었다. 또, 직경 (Tw) 이 1.05 ㎜ 인 샘플에서는, 최단 거리 (S1) 가 0.3 ㎜ 인 샘플의 평가는 「A」였다. 따라서, 직경 (Tw) 이 1.05 ㎜ 인 경우에는, 최단 거리 (S1) 가 0.3 ㎜ 인 것이 특히 바람직하다는 것을 알 수 있었다.
A-6. 제 3 평가 시험
제 3 평가 시험에서는, 이하의 샘플군이 준비되고, 또한 엄격한 평가가 이루어졌다.
샘플군 A1 : Tw = 1.0 ㎜, S1 = 0.3 ㎜, (S2－S1) = 0.3 ㎜
샘플군 A2 : Tw = 1.0 ㎜, S1 = 0.3 ㎜, (S2－S1) = 0.1 ㎜
샘플군 B1 : Tw = 1.1 ㎜, S1 = 0.4 ㎜, (S2－S1) = 0.3 ㎜
샘플군 B2 : Tw = 1.1 ㎜, S1 = 0.4 ㎜, (S2－S1) = 0.25 ㎜
샘플군 C1 : Tw = 1.2 ㎜, S1 = 0.2 ㎜, (S2－S1) = 0.3 ㎜
샘플군 C2 : Tw = 1.2 ㎜, S1 = 0.2 ㎜, (S2－S1) = 0.05 ㎜
각 샘플군에 대해, 상기 서술한 ｜(T2－T1) － (S2－S1)｜ 의 값이, 각각, 0.1 ㎜, 0.2 ㎜, 0.3 ㎜, 0.4 ㎜, 0.5 ㎜ 인 5 개의 샘플이 준비되었다. 이들 샘플은, 레이저 용접의 조건을 세세하게 변경하면서, 다양한 형상의 제 1 용융부 (352) 를 갖는 돌출부 (35) 를 구비한 접지 전극 (30) 을 제조함으로써, 준비되었다.
제 3 평가 시험에서는, 샘플의 선단부 근방 (귀금속 팁 (351) 의 근방) 의 가열과 냉각의 사이클을 3000 회 반복하는 냉열 시험이 실시되었다. 1 회의 사이클에서는, 각 샘플의 선단부 근방을, 버너로 2 분간에 걸쳐 가열하고, 계속해서, 2 분간에 걸쳐 공기 중에서 냉각하였다. 2 분간의 가열에 의해, 귀금속 팁 (351) 의 방전면 (351B) 의 온도가 목표 온도인 섭씨 1000 도에 도달하도록, 방사 온도계를 사용하여 측정이 이루어지고, 당해 측정 결과에 기초하여 버너의 강도가 조절되었다.
냉열 시험 후의 각 샘플의 접지 전극 (30) 이, 축선 (CL) 을 포함하는 단면으로 절단되고, 당해 단면에 있어서 산화 스케일의 발생률이 측정되었다. 구체적으로는, 도 2(B) 에 나타내는 제 1 용융부 (352) 와 중간 부재 (353) 의 경계 (BL1) 와, 귀금속 팁 (351) 과 제 1 용융부 (352) 의 경계 (BL2) 의 각각에 있어서, 산화 스케일이 발생되어 있는 부분이 특정되었다. 이들 경계에 있어서, 접합이 유지되어 있는 부분에는, 산화 스케일이 발생하지 않고, 박리가 발생되어 있는 부분에는, 산화 스케일이 발생한다. 그리고, 경계의 전체 길이에 대한 산화 스케일이 발생되어 있는 부분의 비율이, 산화 스케일의 발생률로서 산출되었다. 산화 스케일의 발생률이 낮을수록, 귀금속 팁 (351) 과 중간 부재 (353) 의 접합 강도가 우수하다.
도 4 는, 제 3 평가 시험의 평가 결과를 나타내는 그래프이다. 도 4(A) 에는, 샘플군 A1 의 평가 결과 (사각 마크) 와, 샘플군 A2 의 평가 결과 (둥근 마크) 가 나타나 있다. 도 4(B) 에는, 샘플군 B1 의 평가 결과 (사각 마크) 와, 샘플군 B2 의 평가 결과 (둥근 마크) 가 나타나 있다. 도 4(C) 에는, 샘플군 C1 의 평가 결과 (사각 마크) 와, 샘플군 C2 의 평가 결과 (둥근 마크) 가 나타나 있다.
도 4 에 나타내는 바와 같이, 모든 샘플군에 있어서,｜(T2－T1) － (S2－S1)｜ 의 값이 0.5 ㎜ 인 샘플의 산화 스케일의 발생률은, 50 ％ 를 초과하고 있었다. 이에 대하여, 모든 샘플군에 있어서,｜(T2－T1) － (S2－S1)｜ 의 값이 0.4 ㎜, 0.3 ㎜, 0.2 ㎜, 0.1 ㎜ 인 샘플의 산화 스케일의 발생률은, 50 ％ 미만이었다. 이상으로부터, 스파크 플러그 (100) 에서는, ｜(T2－T1) － (S2－S1)｜ ≤ 0.4 ㎜ 를 만족하는 것이 보다 바람직하다는 것이 확인되었다.
또한, 상세하게 보면, 모든 샘플군에 있어서, ｜(T2－T1) － (S2－S1)｜ 의 값이 작아짐에 따라서, 거의 직선적으로 산화 스케일의 발생률이 저하되었다. 그리고, ｜(T2－T1) － (S2－S1)｜ 이 0.1 ㎜ 인 샘플에서는, 산화 스케일의 발생률은 거의 0 ％ 였다. 따라서, ｜(T2－T1) － (S2－S1)｜ 의 값이 작아질수록, 귀금속 팁 (351) 과 중간 부재 (353) 의 접합 강도가 현저히 향상되는 것을 알 수 있었다. 즉, ｜(T2－T1) － (S2－S1)｜ ≤ 0.4 ㎜ 를 만족하는 범위 내에 있어서, ｜(T2－T1) － (S2－S1)｜은 보다 작은 것이 바람직하다는 것을 알 수 있었다. 즉, ｜(T2－T1) － (S2－S1)｜은 0.3 ㎜ 이하인 것이 더욱 바람직하고, 0.2 ㎜ 이하인 것이 특히 바람직하고, 0.1 ㎜ 이하인 것이 가장 바람직하다.
B. 변형예
(1) 도 2 에 나타내는 돌출부 (35) 는 일례이며, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 돌출부 (35) 에 있어서, 제 1 용융부 (352) 는, 도 2 에 나타내는 형상에 한정되지 않고, 다양한 형상을 가질 수 있다. 도 5 는, 변형예의 돌출부 (35) 를 나타내는 도면이다. 도 5(A) 의 돌출부 (35) 의 제 1 용융부 (352) 는, 축선 (CL) 상에 있어서의 두께와, 외주면 상에 있어서의 두께의 차이가 거의 없기 때문에, 제 1 용융부 (352) 의 두께는, 직경 방향의 위치에 상관없이 거의 일정하다. 이 예에서는, 최단 거리 (S1) 를 정의하는 경계 (BL1) 상의 점은, 경계 (BL1) 와 축선 (CL) 의 교점이고, 최장 거리 (S2) 를 정의하는 경계 (BL1) 상의 점은, 경계 (BL1) 와 외주면의 교점이다. 또, 최단 거리 (T1) 를 정의하는 경계 (BL2) 상의 점은, 경계 (BL2) 와 축선 (CL) 의 교점이고, 최장 거리 (T2) 를 정의하는 경계 (BL2) 상의 점은, 경계 (BL2) 와 외주면의 교점이다.
도 5(B) 의 돌출부 (35) 의 제 1 용융부 (352) 는, 도 2(B) 의 제 1 용융부 (352) 와 비교하여, 후단측에 위치하고 있다. 즉, 도 5(B) 의 제 1 용융부 (352) 는, 접지 전극 모재 (31) 의 표면 (31S) 으로부터, 보다 떨어진 위치에 있다. 이와 같이, 제 1 용융부 (352) 의 축선 방향의 위치는, 임의로 변경될 수 있다.
도 5(C) 의 돌출부 (35) 의 제 1 용융부 (352) 는, 축선 (CL) 과 교차하는 위치에는 형성되어 있지 않다. 즉, 이 예에서는, 레이저 용접의 용접 깊이는, 축선 (CL) 까지 도달되어 있지 않다. 이와 같이, 제 1 용융부 (352) 는, 귀금속 팁 (351) 의 선단측의 면의 전체와 접촉하고 있지 않아도 되고, 귀금속 팁 (351) 의 선단측의 면의 일부는, 제 1 용융부 (352) 를 통하지 않고, 중간 부재 (353) 와 직접 접촉하고 있어도 된다. 이 예에서는, 최단 거리 (S1) 를 정의하는 경계 (BL1) 상의 점은, 경계 (BL1) 상의 점 가운데, 축선 (CL) 과 외주면 사이에 있는 점이고, 최장 거리 (S2) 를 정의하는 경계 (BL1) 상의 점은, 경계 (BL1) 상의 점 가운데, 축선 (CL) 과 가장 가까운 점이다. 또, 최단 거리 (T1) 를 정의하는 경계 (BL2) 상의 점은, 경계 (BL2) 상의 점 가운데 축선 (CL) 과 가장 가까운 점이고, 최장 거리 (T2) 를 정의하는 경계 (BL2) 상의 점은, 경계 (BL2) 와 외주면의 교점이다.
(2) 상기 실시형태에서는, 돌출부 (35) 는, 접지 전극 (30) 에 사용되고 있지만, 돌출부 (35) 는, 중심 전극 (20) 에 사용되어도 된다. 즉, 돌출부 (35) 가, 중심 전극 (20) 의 레그부 (25) (중심 전극 모재) 의 선단면에 저항 용접되어 있어도 된다. 즉, 중심 전극 (20) 은, 귀금속 팁과 중간 부재와 중심 전극 모재를 구비하고, 귀금속 팁과 중간 부재 사이에 제 1 용융부가 형성되고, 중간 부재와 중심 전극 모재 사이에 제 2 용융부가 형성되어 있어도 된다. 이 경우에도, 전극 팁의 직경 (Tw) 이 1.0 ㎜ ≤ Tw ≤ 1.2 ㎜ 의 범위에서는, 최단 거리 (S1) 와 최장 거리 (S2) 는, (S2－S1) ≤ 0.3 ㎜ 를 만족하는 것이 바람직하다.
(3) 상기 실시형태에서는, 접지 전극 (30) 과, 중심 전극 (20) 은, 스파크 플러그 (100) 의 축선 (CL) 방향으로 대향하여, 불꽃 방전을 발생시키기 위한 갭 (간극) 을 형성하고 있다. 이것을 대신하여, 접지 전극 (30) 과 중심 전극 (20) 은, 축선 (CL) 과는 수직인 방향으로 대향하여, 불꽃 방전을 발생시키기 위한 갭을 형성해도 된다.
(4) 상기 실시형태의 스파크 플러그 (100) 의 일반적인 구성, 예를 들어, 주체 금구 (50), 중심 전극 (20), 절연 애자 (10) 의 재질은, 다양하게 변경 가능하다. 또, 주체 금구 (50), 중심 전극 (20), 절연 애자 (10) 의 세부 치수는, 다양하게 변경 가능하다. 예를 들어, 주체 금구 (50) 의 재질은, 아연 도금 또는 니켈 도금된 저탄소강이어도 되고, 도금되어 있지 않은 저탄소강이어도 된다. 또, 절연 애자 (10) 의 재질은, 알루미나 이외의 다양한 절연성 세라믹스여도 된다.
이상, 실시형태, 변형예에 기초하여 본 발명에 대해서 설명했지만, 상기한 발명의 실시형태는, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 본 발명은, 그 취지 및 특허청구범위에서 벗어나지 않고, 변경, 개량될 수 있음과 함께, 본 발명에는 그 등가물이 포함된다.
5 : 개스킷
6 : 링 부재
8 : 판 패킹
9 : 탤크
10 : 절연 애자
12 : 관통공
13 : 레그부
15 : 스텝부
16 : 스텝부
17 : 선단측 동체부
18 : 후단측 동체부
19 : 플랜지부
20 : 중심 전극
21 : 중심 전극 본체
21A : 전극 모재
21B : 코어부
23 : 헤드부
24 : 플랜지부
25 : 레그부
27 : 용융부
29 : 중심 전극 팁
29A : 방전면
30 : 접지 전극
31 : 접지 전극 모재
31A : 선단부
31B : 후단부
35 : 돌출부
35S : 선단면
40 : 단자 금구
41 : 캡 장착부
42 : 플랜지부
43 : 레그부
50 : 주체 금구
50A : 선단면
51 : 공구 걸어맞춤부
52 : 장착 나사부
53 : 크림프부
54 : 시트부
56 : 스텝부
58 : 압축 변형부
59 : 삽입공
60 : 도전성 시일
70 : 저항체
80 : 도전성 시일
100 : 스파크 플러그
351 : 귀금속 팁
351B : 방전면
352 : 제 1 용융부
353 : 중간 부재
353A : 본체부
353B : 플랜지부
353C : 볼록부
354 : 제 2 용융부

Claims (5)

  1. 중심 전극과 접지 전극을 구비하고,
    상기 중심 전극과 상기 접지 전극 중 적어도 일방의 전극은,
    전극 모재와,
    타방의 전극과의 사이에 간극을 형성하는 방전면을 갖는 귀금속 팁과,
    상기 전극 모재와 상기 귀금속 팁 사이에 배치되고, 상기 귀금속 팁측에 위치하는 본체부와, 상기 본체부보다 대직경이고 상기 전극 모재측에 위치하는 플랜지부를 갖는 중간 부재와,
    상기 중간 부재의 상기 본체부와 상기 귀금속 팁 사이에 형성된 제 1 용융부와,
    상기 중간 부재의 상기 플랜지부와 상기 전극 모재 사이에 있어서, 적어도 상기 귀금속 팁의 축선과 교차하는 위치에 형성된 제 2 용융부를 구비하는 스파크 플러그로서,
    상기 귀금속 팁의 축선을 포함하는 단면에 있어서,
    상기 귀금속 팁의 직경을 Tw 로 하고,
    상기 제 1 용융부와 상기 중간 부재의 경계와, 상기 제 2 용융부와의 최단 거리를 S1 로 하고,
    상기 제 1 용융부와 상기 중간 부재의 경계와, 상기 제 2 용융부와의 최장 거리를 S2 로 할 때,
    1.0 ㎜ ≤ Tw ≤ 1.2 ㎜, 또한, 0 mm < (S2－S1) ≤ 0.3 ㎜ 를 만족하는 것을 특징으로 하는, 스파크 플러그.
  2. 제 1 항에 있어서,
    0.2 ㎜ ≤ S1 ≤ 0.4 ㎜ 를 만족하는 것을 특징으로 하는, 스파크 플러그.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 단면에 있어서,
    상기 제 1 용융부와 상기 귀금속 팁의 경계와, 상기 제 2 용융부와의 최단 거리를 T1 로 하고,
    상기 제 1 용융부와 상기 귀금속 팁의 경계와, 상기 제 2 용융부와의 최장 거리를 T2 로 할 때,
    0 mm ≤ ｜(T2－T1) － (S2－S1)｜ ≤ 0.4 ㎜ 를 만족하는 것을 특징으로 하는, 스파크 플러그.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전극 모재 및 상기 귀금속 팁은, 상기 접지 전극의 모재 및 팁인 것을 특징으로 하는, 스파크 플러그.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전극 모재 및 상기 귀금속 팁은, 상기 접지 전극의 모재 및 팁인 것을 특징으로 하는, 스파크 플러그.
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