KR20060009269A - 스파크 플러그 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 전기전도성 및 기밀성이 탁월하게 유지되면서 뛰어난 내충격성을 갖는 스파크 플러그를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 있어서, 제1 및 제2 전기전도성 밀봉층(17, 19) 각각은 유리성분 및 금속성분을 포함하는 전기전도성 유리로 이루어진다. 상기 금속성분은 제1성분으로 Cu를, 제2성분으로 Zn을 함유하는 Cu-Zn 합금을 적어도 함유한다.

Description

스파크 플러그 및 그 제조방법{Spark Plug and Method for Producing the Same}
본 발명은 스파크 플러그(spark plug) 및 그 제조방법에 관련된다.
일본특허공개공보 제127530/1977호(특허자료 1)에 개시된 스파크 플러그는 공지되어 있다. 상기 스파크 플러그는 원통형의 메탈쉘(metal shell)을 구비한다. 상기 메탈쉘의 축방향으로 연장되도록 관통홀(through-hole)에 의해 원통형으로 형성된 절연체(insulator)가 상기 메탈쉘의 내부에 고정된다. 중심전극 및 말단부착장치(terminal attachment)가 상기 메탈쉘 및 상기 절연체 내부에 설치된다. 상기 중심전극은 상기 메탈쉘의 축방향으로 연장되며 상기 절연체의 전단부로부터 돌출하는 전기적 발염성의 전단부 및 상기 관통홀에 고정된 후단부를 구비한다. 상기 말단부착장치는 상기 메탈쉘의 축방향으로 연장되며 상기 절연체의 후단부로부터 돌출하는 후단부 및 상기 관통홀에 고정된 전단부를 구비한다. 접지전극의 일단부는 스파크 방전갭(spark discharge gap)이 상기 접지전극과 상기 중심전극 사이에서 형성되도록 상기 메탈쉘에 고정된다.
상기 스파크 플러그는 상기 절연체의 상기 관통홀 내에 그리고 상기 중심전극 및 상기 말단부착장치 사이에 설치되는 전기전도성 결합층을 구비하여, 상기 중심전극 및 상기 말단부착장치는 상기 전기전도성 결합층에 의하여 서로 전기적으로 연결된다. 상기 전기전도성 결합층은 제1 전기전도성 밀봉층, 저항 및 제2 전기전도성 밀봉층을 구비하며 이들은 상기 중심전극 측에서 볼 때 순서대로 배열된다. 상기 제1 및 제2 전기전도성 밀봉층의 각각은 유리성분 및 금속성분을 포함하는 전기전도성 유리로 이루어지며, Cu는 상기 금속성분의 일례로서 사용될 수 있다는 설명이 있다. 상기와 같이 구성된 스파크 플러그 외에도, 상기 중심전극 측에서 볼 때 순서대로 배열된 전기전도성 밀봉층 및 저항을 조합한 전기전도성 결합층을 구비하는 스파크 플러그와 전기전도성 밀봉층만으로 이루어진 전기전도성 결합층을 구비하는 스파크 플러그가 공지되어 있다.
이러한 형태의 스파크 플러그가 엔진에 장착되고 고전압이 상기 메탈쉘 및 상기 말단부착장치 사이에 인가되면 전기방전이 상기 중심전극 및 상기 접지전극 사이의 상기 스파크 방전갭 내에 생성됨으로써 상기 엔진을 구동할 때 점화를 수행하게 된다. 이 경우, Cu가 상기 전기전도성 밀봉층들(특허자료 1에 개시된 제1 및 제2 전기전도성 밀봉층) 내의 전기전도성 유리의 금속성분의 일례로 사용되는 상기 스파크 플러그에 있어서, 기밀성이 상기 유리성분에 의해 유지되면서 상기 말단부착장치 및 상기 중심전극은 상기 절연체에 고정된다. 상기 스파크 플러그에 있어서, 상기 말단부착장치 및 상기 중심전극 각각과 상기 전기전도성 결합층 사이의 접촉 저항은 Cu에 의해 감소되어, 그 사이에서 탁월한 전기전도성을 유지하게 된 다.
그러나 상기 스파크 플러그에 있어서, 상기 말단부착장치 및 상기 중심전극 각각과 상기 절연체의 상기 관통홀의 내부둘레면 사이의 공간은 상기 말단부착장치 및 상기 중심전극 각각과 상기 전기전도성 밀봉층의 양호한 결합력을 획득하기 위하여 전기전도성의 유리로 충분히 채워진다. 즉, 전기전도성 유리로의 충진이 상기 공간이 좁기 때문에 불충분하다면, 상기 말단부착장치 및 상기 중심전극 각각과 상기 전기전도성 밀봉층 사이의 접착력은 불충분하게 되어 상기 말단부착장치 및 상기 중심전극 각각과 상기 전기전도성 밀봉층 사이의 경계는 충격 등이 가해질 때 벗겨질 가능성이 있다.
이러한 점에서 Zn, Sn 등이 일본특허공개공보 제339925/1999호에 개시된 전기전도성 유리의 금속성분으로 Cu와 함께 조합하여 사용되는 것이 상정될 수 있다. 이 스파크 플러그에 있어서, 상기 말단부착장치 및 상기 중심전극 각각과 상기 전기전도성 밀봉층 사이의 경계는 상기 배경기술과 동일한 전기전도성 및 기밀성이 유지될 수 있으면서 충격 등에 의하여 벗겨지는 것이 방지될 수 있다.
그러나, 상기한 스파크 플러그가 고출력 엔진 등에 사용될 때는, 더 강력한 충격이 상기 스파크 플러그에 가해질 수 있다. 이러한 경우조차도 상기 절연체의 상기 관통홀의 내부둘레면, 상기 말단부착장치 및 상기 중심전극 각각과 상기 전기전도성 밀봉층 사이의 경계에 필링(peeling)이 발생하지 못하게 하는 것이 필요하다. 또한 본질적으로 상기 전기전도성 밀봉층의 부서짐, 찢어짐 등을 방지하는 것도 필요하다.
본 발명은 종래기술의 이러한 환경에서 디자인된 것으로, 본 발명의 목적은 전기전도성 및 기밀성이 탁월하게 유지되면서 더 뛰어난 내충격성을 갖는 스파크 플러그 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 연구를 수행해 왔다. Cu 및 Zn이 제1 및 제2 전기전도성 밀봉층에 전기전도성 유리의 금속성분으로 사용되도록 스파크 플러그가 개선될 때 상기 문제점이 해결될 수 있다는 것이 발견되었다. 따라서 본 발명이 완성된다.
즉, 본 발명에 따르면, 축방향으로 형성된 관통홀을 구비하는 절연체, 상기 절연체의 일단부면 상에 배치된 말단부착장치, 상기 절연체의 타단부면 상에 배치된 중심전극 및 상기 말단부착장치 및 상기 중심전극을 서로 전기적으로 결합하기 위해 상기 관통홀 내에 배치된 전기전도성 결합층을 포함하며, 상기 전기전도성 결합층은 상기 말단부착장치 및 상기 중심전극 중 적어도 하나에 결합된 적어도 하나의 전기전도성 밀봉층을 포함하며, 상기 전기전도성 밀봉층은 유리성분 및 적어도 하나의 Cu-Zn 합금을 함유하는 금속성분을 포함하는 전기전도성 유리로 이루어짐을 특징으로 하는 스파크 플러그가 제공된다.
본 발명에 따른 상기 스파크 플러그에 있어서, 상기 전기전도성 밀봉층 내의 상기 전기전도성 유리의 금속성분은 Cu-Zn 합금을 함유한다. 이러한 Cu-Zn 합금은 전기전도성 및 기밀성을 탁월하게 유지할 수 있다. 상기 Cu-Zn 합금을 함유하는 상기 전기전도성 유리는 상기 절연체의 상기 관통홀의 내부둘레면, 상기 말단부착장치 및 상기 중심전극 각각과 상기 전기전도성 밀봉층 사이의 경계에서 필링이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 상기 전기전도성 유리는 상기 전기전도성 밀봉층 내에서 부서짐, 찢어짐 등이 발생하는 것을 근본적으로 억제할 수 있다. 이러한 이유로 상기 스파크 플러그는 내충격성에 있어 탁월하다.
따라서 본 발명에 따른 상기 스파크 플러그에 있어서, 전기전도성 및 기밀성이 탁월하게 유지될 수 있으면서 내충격성은 더 뛰어나게 될 수 있다.
부수적으로, 본 발명에 따른 상기 스파크 플러그에 있어서, 상기 전기전도성 밀봉층은 상기 말단부착장치 및 상기 중심전극 중 적어도 하나에 결합되도록 형성될 수 있다. 상기 전기전도성 결합층은 대체로 하나의 전기전도성 밀봉층에 의해 구성되거나, 저항 및 종래기술과 동일한 방식으로 상기 저항의 대향면들에 위치된 전기전도성 밀봉층들에 의해 구성될 수 있다. 상기 전기전도성 밀봉층 내에 포함된 모든 금속성분은 Cu-Zn 합금이거나, 또는 상기 금속성분의 일부가 Cu-Zn 합금일 수 있다. 상기 금속성분의 일부가 Cu-Zn 합금일 때, Cu, Fe, Sb, Sn, Ag, Al, Ni 및 이들의 합금들로부터 선택된 적어도 하나의 성분이 상기 금속성분의 나머지 부분에 사용될 수 있다.
바람직하게는, 상기 Cu-Zn 합금은 제1성분으로 Cu를, 제2성분으로 Zn을 포함한다. 즉, 가장 많은 양의 Cu, 그 다음 많은 양의 Zn이 상기 Cu-Zn 합금에 포함되는 것이 바람직하다. 상기 Cu-Zn 합금은 Cu 및 Zn 외에 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 이 경우, Cu 및 Zn의 총량은 99질량% 이상인 것이 바람직하다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 상기 스파크 플러그에 있어서, 실질적으로 상기 금속성분에 함유된 모든 Zn은 합금화된다. 본 발명의 발명자들은 비합금 Zn 성분이 상기 금속성분 내에 함유된다면, 상기 전기전도성 밀봉층의 내충격성이 떨어질 가능성이 있다는 것을 확인했다.
부수적으로, "실질적으로 상기 금속성분에 함유된 모든 Zn은 합금화된다"라는 문구는 상기 전기전도성 밀봉층 내의 상기 금속성분 내의 비합금 Zn 성분(단일 Zn 성분)이 X-ray 회절에 의해 측정될 때 검출되는 비합금 Zn 성분이 없는 경우를 의미한다. 상기 용어 "비합금 Zn 성분(단일 Zn 성분)"은 Zn의 양이 99중량% 이상이며 나머지 부분은 Cu 이외의 불가피한 불순물이라는 것을 의미한다.
또한, 본 발명에 따르면, 축방향으로 형성된 관통홀을 구비하는 절연체, 상기 절연체의 일단부면 상에 배치된 말단부착장치, 상기 절연체의 타단부면 상에 배치된 중심전극 및 상기 말단부착장치 및 상기 중심전극을 서로 전기적으로 결합시키기 위해 상기 관통홀 내에 배치된 전기전도성 결합층을 포함하며, 상기 전기전도성 결합층은 상기 말단부착장치 및 상기 중심전극 중 적어도 하나에 결합된 적어도 하나의 전기전도성 밀봉층을 포함하는 스파크 플러그를 제조하는 방법으로서, 상기 절연체의 상기 관통홀을 유리분말 및 적어도 Cu-Zn 합금분말을 함유하는 금속분말을 포함하는 전기전도성 유리분말로 충진하는 단계; 및 상기 전기전도성 밀봉층을 형성하기 위해 상기 전기전도성 유리분말을 연화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따른 스파크 플러그의 제조방법에 있어서, 상기 절연체의 상기 관통홀은 유리분말 및 Cu-Zn 합금분말을 함유하는 금속분말을 포함하는 전기전도성 유리분말로 채워진다. 상기 전기전도성 유리분말은 상기 전기전도성 밀봉층을 형성하기 위하여 연화된다. Cu 분말 및 Zn 분말을 별도로 첨가하고 Cu 및 Zn을 열처리 등에 의하여 합금하는 방법에 있어서, 상기 열처리 조건 및 혼합상태에 맞추어 상기 전기전도성 밀봉층 내에서 원하는 비율로 Cu-Zn 합금을 얻는 것은 어렵다. 상기에서와 같이 미리 합금된 Cu-Zn 합금분말이 사용될 때, 원하는 비율로 상기 Cu-Zn 합금이 상기 형성된 전기전도성 밀봉층 내에서 상기 전기전도성 유리의 상기 금속성분에 함유될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 제조방법에 의해 형성된 상기 스파크 플러그에 있어서, 전기전도성 및 기밀성은 탁월하게 유지될 수 있으면서 내충격성이 더욱 뛰어나게 될 수 있다.
바람직하게는, 상기 전기전도성 유리분말은 30질량%보다 많고 75질량%보다 적은 상기 금속분말을 포함한다. 본 발명의 발명자의 시험결과에 따르면, 상기 스파크 플러그의 내충격성은 상기 금속분말의 양이 30질량% 이하라면 불충분해질 것이다. 상기 금속분말의 양이 75질량% 이상이라면, 상기 유리성분의 양이 적어지기 때문에 기밀성이 떨어질 가능성이 있다. 이러한 이유로, 상기 전기전도성 유리분말은 상기 금속분말을 30질량%보다 많고 75질량%보다 적게 포함할 때, 상기 스파크 플러그의 내충격성이 개선될 수 있도록 상기 스파크 플러그의 전기전도성 및 기밀성이 유지될 수 있다.
바람직하게는, 상기 금속분말은 10질량%보다 많이 상기 Cu-Zn 합금분말을 함유한다. 상기 금속분말이 10질량%보다 많이 상기 Cu-Zn 합금분말을 함유할 때, 상기 스파크 플러그의 전기전도성, 기밀성 및 내충격성은 효과적으로 유지될 수 있다. 부수적으로, 본 발명자의 시험결과에 따르면, 상기 금속분말이 상기 Cu-Zn 합금분말을 10질량% 이하로 함유한다면 상기 스파크 플러그의 내충격성은 불충분해질 수 있다. 좀 더 바람직하게는 상기 금속분말은 상기 Cu-Zn 합금분말을 50질량%보다 많이 함유한다. 상기 금속분말이 상기 Cu-Zn 합금분말을 50질량%보다 많이 함유할 때, 형성된 상기 스파크 플러그의 전기전도성 및 기밀성이 유지될 수 있으면서 내충격성은 좀 더 효과적으로 개선될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 스파크 플러그의 제조방법에 있어서, Zn 분말은 전혀 포함되지 않는다. 본 발명자들은 Zn 성분이 Zn 분말상태, 즉 Zn 성분이 합금되지 않은 상태로 혼합된다면 상기 전기전도성 유리층에서 합금되지 않은 Zn 분말은 최종 상품에 남아있기 때문에 형성된 상기 스파크 플러그의 내충격성이 떨어진다는 것을 확인했다. 따라서 모든 Zn 성분은 첨가되기 전에 합금되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 Cu-Zn 합금분말은 5-40질량%의 Zn을 함유한다. 본 발명자들은 5-40질량%의 Zn을 함유하는 상기 Cu-Zn 합금분말에 관한 본 발명의 효과를 확인했다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 상기 스파크 플러그에 있어서, 상기 전기전도성 유리분말은 In, Sn, Cr, V 및 Ti로부터 선택된 적어도 하나의 성분으로서 반도체 무기산화물(inorganic oxide of semiconductor)을 포함한다. 본 발명자들의 시험결과에 따르면, 상기한 바와 같은 구성이 될 때, 상기 전기전도성 밀봉층의 전기전도성 및 기밀성이 유지될 수 있으면서 내충격성은 크게 개선될 수 있다. Indium oxide (In2O3), tin oxide (SnO2), chromium oxide (Cr2O3), vanadium oxide (V2O3, VO2), titanium oxide (TiO2) 등이 상기 반도체 무기산화물로 이용될 수 있다. 본 발명자들의 시험결과에 따르면, 상기 반도체 무기산화물의 양은 상기 유리분말 및 상기 금속분말의 총량을 100질량부로 보았을 때 10질량부 미만인 것이 바람직하다. 상기 반도체 무기산화물의 양이 10질량부 이상이라면, 기밀성이 떨어질 가능성이 있다.
바람직하게는, 상기 금속분말의 평균입자 크기는 5㎛ 이상 40㎛ 이하이다. 상기 금속분말의 평균입자 크기가 5㎛ 미만이라면, 양호한 생산효율을 얻기에는 입자크기가 너무 작기 때문에 비용이 증가한다. 한편, 상기 금속분말의 평균입자 크기가 40㎛를 넘는다면, 형성된 상기 스파크 플러그의 내충격성이 떨어질 가능성이 있다.
도 1은 일실시예에 따른 생산공정에서의 절연체의 종단면도이다.
도 2는 일실시예에 따른 생산공정에서의 절연체 및 말단부착장치의 종단면도이다.
도 3은 일실시예에 따른 스파크 플러그의 전체 종단면도이다.
부수적으로, 도면의 참조부호는 다음과 같다.
20... 메탈쉘
11a... 관통홀
11... 절연체
12... 중심전극
16... 말단부착장치
13a, 13b... 전기전도성 유리
17... 제1 전기전도성 밀봉층
19... 제2 전기전도성 밀봉층
21... 접지전극
18... 저항
본 발명에 따른 스파크 플러그를 구현하기 위한 일실시예가 도면을 참조하여 설명될 것이다.
본 실시예에 따른 스파크 플러그는 다음과 같이 생산될 수 있다. 먼저, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 후단부면 상에 플랜지부(12a)를 구비하는 중심전극(12)이 설치된다. 알루미나 등과 같은 세라믹 소결체(sintered body)로 이루어지며 축방향으로 관통홀(11a)을 구비하는 거의 원통형의 절연체(11)가 설치된다. 상기 절연체(11)의 상기 관통홀(11a)은 작은 직경을 갖고 전단부면 상에서 상기 절연체(11)를 관통하는 제1 관통홀(11b), 상기 제1 관통홀(11b)의 직경을 확장하기 위한 테이퍼(taper)부(11c) 및 상기 테이퍼부(11c)로부터 연장되며 후단부면 상에서 상기 절연체(11)를 관통하는 제2 관통홀(11d)을 포함한다. 상기 중심전극(12)은 상기 제2 관통홀(11d)을 통해 상기 관통홀(11a)의 상기 제1 관통홀(11b)로 이동되도록 상기 관통홀(11a)의 후단부면으로부터 상기 절연체(11)로 삽입된다. 따라서 상기 중심전극(12)의 상기 플랜지부(12a)는 상기 테이퍼부(11c)에 의해 상기 제1 관통홀(11b)에서 멈춰져서, 상기 중심전극(12)이 멈춰진다. 이 경우, 상기 중심전극(12)의 전단부는 상기 절연체(11)의 전단부로부터 돌출한다.
그 다음, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 깔때기(50)가 상기 절연체(11)의 상기 관통홀(11a)의 후단부로 삽입된다. 전기전도성 유리분말(13)은 상기 깔때기(50)를 통해 상기 관통홀(11a)로 주입된다. 상기 전기전도성 유리분말(13)은 표 1에 기재된 테스트 샘플 1 내지 25 각각의 혼합비율(질량%)로 유리분말 및 금속분말을 혼합하여 제조된다.
테스트 샘플 유리분말의 첨가량 (질량%) 금속분말의 첨가량 (질량%) 금속분말의 성분 반도체 무기산화물의 첨가량 (질량%)
성 분 첨가량 (질량%) 다른 성분 첨가량 (질량%)
1 50 50 Cu(분말) 100 - - -
2 50 50 Cu(분말) 90 Zn(분말) 10 -
3 50 50 Cu·10Zn 100 - - -
4 50 50 Cu·10Zn 75 Cu(분말) 25 -
5 50 50 Cu·10Zn 50 Cu(분말) 50 -
6 50 50 Cu·10Zn 25 Cu(분말) 75 -
7 50 50 Cu·10Zn 15 Cu(분말) 85 -
8 50 50 Cu·10Zn 10 Cu(분말) 90 -
9 50 50 Cu·5Zn 100 - - -
10 50 50 Cu·25Zn 100 - - -
11 50 50 Cu·40Zn 100 - - -
12 70 30 Cu·10Zn 100 - - -
13 65 35 Cu·10Zn 100 - - -
14 35 65 Cu·10Zn 100 - - -
15 30 70 Cu·10Zn 100 - - -
16 25 75 Cu·10Zn 100 - - -
17 50 50 Cu·10Zn 100 - - 1.0SnO2
18 50 50 Cu·10Zn 100 - - 2.5SnO2
19 50 50 Cu·10Zn 100 - - 5.0SnO2
20 50 50 Cu·10Zn 100 - - 10.0SnO2
21 50 50 Cu·10Sn 100 - - -
22 50 50 Cu·20Sn 100 - - -
23 50 50 Cu·7Al 100 - - -
24 50 50 Cu·10Al 100 - - -
25 50 50 Cu·30Ni 100 - - -
상기 유리분말은 SiO2 60질량%, B2O3 30질량%, Na2O 5질량%, BaO 5질량%를 포함하는 소다 붕규산 유리(soda borosilicate glass)로 이루어진다.
상기 금속분말의 구성은 다음과 같다. 테스트 샘플 1에서는, Cu 분말이 상기 금속분말로 사용된다. 테스트 샘플 2에서는, Cu 분말 및 Zn 분말로 구성된 혼합분말이 상기 금속분말로 사용된다. 테스트 샘플 3 내지 20 각각에서는, 표 1의 "성분" 칸에 기재된 Cu-Zn 합금분말이 금속성분으로 사용된다. 각각의 Cu-Zn 합금분말은 제1성분으로 Cu를, 제2성분으로 Zn을 포함한다. 테스트 샘플 4 내지 8의 각각에서는, 상기 금속분말은 Cu-Zn 합금분말 75-10질량%, 다른 성분으로 Cu 분말 25-90질량%의 혼합으로 제조된다. 테스트 샘플 21 또는 22에서는, 표 1의 "성분" 칸에 나타난 Cu-Sn 합금의 분말이 상기 금속분말로 사용된다. 테스트 샘플 23 또는 24에서는, 표 1의 "성분" 칸에 나타난 Cu-Al 합금의 분말이 상기 금속분말로 사용된다. 테스트 샘플 25에서는, 표 1의 "성분" 칸에 나타난 Cu-Ni 합금의 분말이 상기 금속분말로 사용된다.
테스트 샘플 17 내지 20 각각에서는, 반도체 무기산화물로서의 SnO2 1.0-10.0질량부가 유리분말 및 금속분말의 혼합으로서의 상기 전기전도성 유리분말(13) 100질량부에 첨가된다.
그 다음, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 테스트 샘플 1 내지 25 각각에서는, 상기 절연체(11)의 상기 관통홀(11a)로 주입되어 상기 중심전극(12)의 후단부면 상에 있는 상기 전기전도성 유리분말(13)은 상기 관통홀(11a)의 후단부로부터 상기 관통홀(11a)로 삽입되는 압력봉(51)에 의해 예비적으로 압축된다.
그 다음, 도 1의 (d)에 도시된 바와 같이, 저항물질분말(14)이 상기 전기전도성 유리분말(13)과 동일한 방식으로 상기 절연체(11)의 상기 관통홀(11a)로 주입된다. 이 경우, 상기 저항물질분말(14)은 유리분말, 세라믹분말, 금속분말(주로 Zn, Sb, Sn, Ag, Ni 등으로부터 선택된 하나 이상의 성분을 포함한다), 비금속 전기전도성 물질분말(비정형 탄소, 흑연 등으로부터 선택된 하나 이상의 성분을 포함한다), 유기결합재 등을 소정 비율로 혼합하고 열압법(hot pressing) 등에 의하여 상기 혼합물을 소결시킴으로써 제조된 분말이다. 상세하게는, 상기 저항물질분말(14)은 미세 유리분말 30질량%, ZrO2분말 60질량%, Al분말 1질량%, 카본블랙 6질량% 및 덱스트린 3질량%를 혼합함으로써 제조될 수 있다. 상기 절연체(11)의 상기 관통홀(11a)에 배치되고 상기 전기전도성 유리분말(13) 상에 라미네이트된 상기 저항물질분말(14)은 상기 관통홀(11a)의 후단부로부터 상기 관통홀(11a)로 삽입된 상기 압력봉(51)에 의해 예비적으로 압축된다.
표 1의 전기전도성 유리분말(13)은 상기한 전기전도성 유리분말(13) 및 상기 저항물질분말(14)과 동일한 방식으로 다시 상기 절연체(11)의 상기 관통홀(11a)로 주입된다. 상기 절연체(11)의 상기 관통홀(11a) 내에 배치되고, 상기 저항물질분말(14) 상에 라미네이트된 상기 전기전도성 유리분말(13)은 상기 관통홀(11a)의 후단부로부터 상기 관통홀(11a)로 삽입된 상기 압력봉(51)에 의해 예비적으로 압축된다. 이 경우, 상기 절연체(11)의 상기 관통홀(11a)은 상기 전기전도성 유리분말(13)로 충진된다.
따라서 분말층(15)은 상기 전기전도성 유리분말(13), 상기 저항물질분말(14) 및 상기 전기전도성 유리분말(13)이 상기 분말층(15)과 같은 순서로 배열되도록 상기 절연체(11)의 상기 관통홀(11a) 내에서 상기 중심전극(12)의 후단부에 라미네이트된다.
상기와 같이 라미네이트된 상기 분말층(15) 및 상기 중심전극(12)을 포함하는 상기 절연체(11)가 포함되는 도 2의 (a)에 도시된 스파크 플러그 중간체(10a)에 있어서, 말단부착장치(16)는 상기 관통홀(11a)의 후단부로부터 상기 절연체(11)의 상기 관통홀(11a)로 삽입된다. 상기 중간체(10a)가 상기 분말층(15)을 연화시키기 위해 가열된 후, 상기 말단부착장치(16)는 열압법으로 가압된다.
상기 말단부착장치(16)는 저탄소강(low-carbon steel) 등으로 이루어진다. 상기 말단부착장치(16)는 확장된 직경을 가진 말단부(16a); 전단부를 향해 상기 말단부(16a)로부터 연장되며 상기 절연체(11)의 상기 관통홀(11a)의 직경과 실질적으로 동일한 직경을 구비하는 원기둥부(16b); 및 전단부를 향하여 상기 원기둥부(16b)로부터 연장되며 상기 원기둥부(16b)의 직경보다 더 작은 직경을 구비하는 봉형태부(16c)를 구비한다.
도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 절연체(11)의 상기 관통홀(11a)에서는, 상기 중심전극(12)의 후단부 상에 라미네이트된 상기 전기전도성 유리분말(13)이 전기전도성 유리(13a)로 압축된다. 상기 전기전도성 유리분말(13) 상에 라미네이트된 상기 저항물질분말(14)은 저항(14a)으로 압축된다. 상기 저항물질분말(14) 상에 라미네이트된 상기 전기전도성 유리분말(13)은 상기 말단부착장치(16)의 상기 봉형태부(16c) 및 상기 절연체(11)의 상기 관통홀(11a)의 영역으로 둘러싸인 범위 내에서 전기전도성 유리(13b)로 압축된다.
따라서 상기 말단부착장치(16)는 상기 관통홀(11a)이 상기 원기둥부(16b)와 함께 밀봉되는 동안 상기 절연체(11)의 상기 관통홀(11a)로 삽입되어, 상기 말단부(16a)에 의해 상기 절연체(11)의 상기 관통홀(11a)의 후단부에 결합된다.
상기 중간체(10a) 및 상기 말단부착장치(16)는 통상의 온도로 냉각된다. 따라서 상기 절연체(11)의 상기 관통홀(11a)에서, 제1 전기전도성 밀봉층(17)이 상기 중심전극(12)의 후단부에서 압축된 상기 전기전도성 유리(13a)로부터 형성된다. 저항(18)은 상기 전기전도성 유리(13a)의 후단부에서 압축된 상기 저항(14a)으로부터 형성된다. 제2 전기전도성 밀봉층(19)은 상기 제2 전기전도성 밀봉층(19)이 상기 말단부착장치(16)의 봉형태부(16c) 및 상기 절연체(11)의 상기 관통홀(11a)의 영역에 의해 둘러싸인 범위 내에 배치되도록 상기 저항(14a)의 후단부에서 압축된 상기 전기전도성 유리(13b)로부터 형성된다.
따라서 상기 절연체(11)의 상기 관통홀(11a)에서, 상기 말단부착장치(16)가 상기 제2 전기전도성 밀봉층(19)에 의해 고정되어 있는 동안 상기 중심전극(12)은 상기 제1 전기전도성 밀봉층(17)에 의해 고정된다.
그 다음, 도 3에 도시된 바와 같이, 탄소강(carbon steel) 등으로 이루어진 메탈쉘(20)이 제조된다. 상기 메탈쉘(20)은 그 외주면에 형성된 나사산부(22)를 구비한다. 상기 중심전극(12) 및 상기 말단부착장치(16)가 고정되는 상기 중간체(10a)는 상기 메탈쉘(20)의 축방향으로 연장되도록 상기 원통형 메탈쉘(20)로 삽입된다. 따라서 본 실시예에 따른 스파크 플러그(10)가 생성된다. 상기 스파크 플러그는 상기 메탈쉘(20)의 상기 나사산부(22)가 도시되지 않은 내연기관의 엔진 헤드 등에 부착된 후 상기 접지전극(21) 및 상기 중심전극(12) 사이의 스파크 방전갭에서의 스파크방전을 생성하기 위한 엔진 점화 소스로 이용된다.
상기 스파크 플러그(10)는 상기 원통형 메탈쉘(20) 및 상기 메탈쉘(20)의 축방향으로 연장되며 상기 메탈쉘(20)의 내부에 고정되는 상기 절연체(11)를 포함한다. 상기 절연체(11)는 상기 관통홀(11a)에 의해 원통형으로 형성된다. 상기 중심전극(12) 및 상기 말단부착장치(16)는 상기 메탈쉘(20) 및 상기 절연체(11) 내부에 설치된다. 상기 중심전극(12)은 상기 메탈쉘(20)의 축방향으로 연장되며 상기 절연체(11)의 전단부로부터 돌출하는 발염성 전단부 및 상기 관통홀(11a)에 고정된 후단부를 구비한다. 상기 말단부착장치(16)는 상기 메탈쉘(20)의 축방향으로 연장되며, 상기 절연체(11)의 후단부로부터 돌출하는 후단부 및 상기 관통홀(11a)에 고정된 전단부를 구비한다. 상기 메탈쉘(20) 및 상기 절연체(11)의 내부 그리고 상기 중심전극(12) 및 상기 말단부착장치(16) 사이에 상기 제1 전기전도성 밀봉층(17), 상기 저항(18) 및 상기 제2 전기전도성 밀봉층(19)이 상기 중심전극(12) 측으로부터 보여지는 순서로 설치된다. 상기 중심전극(12) 및 상기 접지전극(21) 사이에 방전갭을 형성하기 위한 상기 접지전극(21)의 단부는 상기 메탈쉘(20)에 고정된다.
상기한 테스트 샘플 1 내지 25 각각에서의 상기 제1 및 제2 전기전도성 밀봉층(17, 19)의 기밀성이 측정된다. 기밀성의 측정을 위하여, 1.5Mpa의 압축공기가 상기 중심전극(12) 측으로부터 상기 절연체(11)의 상기 관통홀(11a)로 이입된다. 상기 압축공기가 상기 절연체(11) 및 상기 말단부착장치(16) 사이의 접합이며 상기 관통홀(11a)의 후단부면 상에 있는 일부분으로부터 누출되는지에 대한 판단이 행해진다. 따라서 압축공기의 누출이 없는 스파크 플러그(10)는 ○로 평가되고, 분당 0.1ml 이하의 비율로 누출되는 압축공기를 가진 스파크 플러그(10)는 △로 평가되며, 분당 0.1ml를 넘는 비율로 누출되는 압축공기를 가진 스파크 플러그(10)는 ×로 평가된다. 그 결과는 표 2에 나타난다.
테스트 샘플 기밀성 내충격성
1 ○ ×
2 ○ ×
3 ○ ◎
4 ○ ◎
5 ○ ◎
6 ○ ○
7 ○ ○
8 ○ △
9 ○ ○
10 ○ ○
11 ○ ○
12 ○ △
13 ○ ○
14 ○ ○
15 ○ ○
16 △ ○
17 ○ ◎
18 ○ ◎
19 ○ ◎
20 △ ◎
21 × ×
22 × ×
23 ○ ×
24 ○ ×
25 ○ ×
상기한 테스트 샘플 1 내지 23 각각에서 상기 제1 및 제2 전기전도성 밀봉층(17, 19)을 구비하는 상기 스파크 플러그(10)에 있어서, 내충격성이 측정된다. 내충격성의 측정을 위하여, JIS B8031에서 정의된 내충격성 시험이 테스트 샘플 1 내지 23의 각각에서 상기 제1 및 제2 전기전도성 밀봉층(17, 19)을 구비하는 상기 스파크 플러그(10)에 적용된다. 이 경우, 내충격성 시험은 22(mm)의 진동폭 및 400 충격회수(분당)의 조건에서 수행되어 상기 스파크 플러그(10)에 생성된 전기저항값에서의 변화가 측정된다. 따라서 전기저항값에서의 증가가 1% 미만인 경우 ◎로 평가되고, 전기저항값에서의 증가가 1% 이상 2.5% 미만일 경우 ○로 평가되며, 전기저항값에서의 증가가 2.5% 이상 5% 미만일 경우 △로 평가되고, 전기저항값에서의 증가가 5% 이상일 경우 ×로 평가된다. 그 결과는 또한 표 2에 나타난다.
(고찰)
표 2에 도시된 바와 같이, 기밀성의 측정에 있어서, 테스트 샘플 1 내지 15, 17 내지 19, 23 내지 25는 ○였다. 테스트 샘플 16 및 20은 △였다. 내충격성의 측정에 있어서, 테스트 샘플 6, 7, 9 내지 11 및 13 내지 16은 ○였다. 테스트 샘플 8 및 12는 △였다. 테스트 샘플 3 내지 5 및 17 내지 20은 ◎였다.
특히, 상기 스파크 플러그(10)에 있어서, 상기 제1 및 제2 전기전도성 밀봉층(17, 19)은 유리성분 및 금속성분을 포함하는 전기전도성 유리로 이루어진다. 상기 금속성분은 제1성분으로 Cu를, 제2성분으로 Zn을 함유하는 Cu-Zn 합금이다. 이러한 Cu-Zn 합금은 상기 성분비율에 맞추어 전기전도성 및 기밀성을 탁월하게 유지시킬 수 있다. 상기 Cu-Zn 합금을 함유하는 상기 전기전도성 유리는 상기 절연체(11)의 상기 관통홀(11a)의 내부둘레면, 상기 말단부착장치(16) 및 상기 중심전극(12) 각각 및 상기 제1 또는 제2 전기전도성 밀봉층(17, 19) 사이의 경계에서 필링이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 상기 전기전도성 유리는 상기 제1 및 제2 전기전도성 밀봉층(17, 19)에서 부서짐, 찢어짐 등이 발생하는 것을 본질적으로 억제할 수 있다. 이러한 이유로, 상기 스파크 플러그(10)는 내충격성에 있어 탁월하다.
따라서 상기 스파크 플러그(10)에 있어서, 전기전도성 및 기밀성은 탁월하게 유지될 수 있으면서 내충격성은 더욱 뛰어나게 될 수 있다.
테스트 샘플 13 내지 15의 각각은 30질량%보다 많고 75질량%보다 적은 금속성분(Cu-Zn 합금)을 함유한다. 상기 금속성분이 30질량% 이하라면, 상기 스파크 플러그(10)의 내충격성은 불충분하다. 상기 금속성분이 75질량% 이상이라면, 상기 유리성분이 적기 때문에 기밀성을 유지하는 것이 어렵다. 이러한 이유로, 전기전도성 유리가 30질량%보다 많고 75질량%보다 적은 금속성분을 포함할 때, 상기 스파크 플러그(10)의 내충격성이 향상될 수 있도록 상기 스파크 플러그(10)의 전기전도성 및 기밀성이 유지될 수 있다.
테스트 샘플 3 내지 7의 각각에 있어서, 상기한 효과는 금속성분으로서의 상기 Cu-Zn 합금의 양이 10질량%보다 많은 경우에 확인될 수 있다.
테스트 샘플 9 내지 11에 있어서, 상기 Cu-Zn 합금은 Zn 5-40질량%를 함유한다. 상기 효과는 Zn 5-40%를 함유하는 상기 Cu-Zn 합금에서 확인될 수 있다.
특히, 테스트 샘플 17 내지 19의 각각에서 상기 유리성분 및 상기 금속성분의 함유 총량이 100질량부일 때, 반도체 무기산화물로써의 SnO2는 10질량부 미만이기 때문에 상기 제1 및 제2 전기전도성 밀봉층(17, 19)의 전기전도성이 유지될 수 있으면서 내충격성은 더욱 향상될 수 있다. 부수적으로, 상기 SnO2는 10질량% 이상이라면, 기밀성은 떨어진다.
이러한 점에서, 테스트 샘플 19 및 20의 각각에서 상기 금속성분의 상기 제2성분이 Sn으로 치환되면, 기밀성이나 내충격성 모두 향상되지 않는다. 테스트 샘플 21 내지 23의 각각에서 상기 금속성분의 상기 제2성분이 Al 또는 Ni로 치환되면, 기밀성은 향상되더라도 내충격성은 향상되지 않는다.
다음으로, 상기한 테스트 샘플 3에서 상기 금속분말의 평균입자 크기가 8㎛, 10㎛, 36㎛, 50㎛로 바뀌는 조건에서 내충격성이 측정된다. 내충격성의 측정은 상기한 방법과 동일한 방식으로 수행되어, 상기 스파크 플러그(10)에서 생성된 전기저항값의 변화가 측정된다. 결과는 표 3에 나타난다.
테스트 샘플 유리분말의 첨가량 (질량%) 금속분말의 첨가량 (질량%) 금속분말의 성분 Cu-10Zn의 첨가량 (질량%) 유리분말의 입자크기 (㎛) 금속분말의 입자크기 (㎛) 내충격성
26 50 50 Cu-10Zn 100 100 8 ○
27 50 50 Cu-10Zn 100 100 10 ○
28 50 50 Cu-10Zn 100 100 36 ○
29 50 50 Cu-10Zn 100 100 50 △
표 3에 나타난 바와 같이, 내충격성의 측정에 있어서, 테스트 샘플 26 내지 28은 ○였다. 따라서 테스트 샘플 26 내지 28의 각각에서 상기 제1 및 제2 전기전도성 밀봉층(17, 19)을 구비하는 상기 스파크 플러그(10)는 뛰어난 내충격성을 갖는다는 것이 증명된다.
본 실시예에 따른 상기 스파크 플러그(10)는 상기 저항(18)을 구비하지만, 어떠한 저항(18)도 갖지 않을 수 있다. 상기 스파크 플러그(10)는 상기 제1 및 제2 전기전도성 밀봉층(17, 19)을 구비하지만, 제1 및 제2 전기전도성 밀봉층(17, 19) 중 하나를 구비할 수 있다.
약 5㎛ 두께의 Ni 도금층이 상기 말단부착장치(16)의 표면 상에 형성될 수 있다. 상기 말단부착장치(16)의 봉형태부(16c)의 주변은 Zn, Sn, Pb, Rh, Pd, Pt, Cu, Au, Sb 및 Ag로부터 선택된 하나 이상의 성분을 주로 함유하는 금속층으로 도포될 수 있다. 이것은 상기 말단부착장치(16) 및 상기 제2 전기전도성 밀봉층(19) 사이의 결합력이 증강될 수 있기 때문이다.
본 발명은 구체적인 실시예와 함께 상세히 기재되었지만 다양한 변화 및 수정이 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것이 당해 기술분야의 당업자에게 자명하다.
본 출원은 2003년 5월 20자로 출원된 일본특허출원(특허출원번호 제2003-142415호)에 기초하며 그 내용은 여기서 참조로 취해진다.
본 발명에 따르면, 전기전도성 및 기밀성이 탁월하게 유지되면서 뛰어난 내충격성을 갖는 스파크 플러그 및 그 제조방법이 얻어질 수 있다.

Claims (11)

  1. 축방향으로 형성된 관통홀을 구비하는 절연체; 상기 절연체의 일단부면 상에 배치된 말단부착장치; 상기 절연체의 타단부면 상에 배치된 중심전극; 및 상기 말단부착장치 및 상기 중심전극을 서로 전기적으로 연결하기 위해 상기 관통홀 내에 배치된 전기전도성 결합층으로 구성되며, 상기 전기전도성 결합층은 상기 말단부착장치 및 상기 중심전극 중 하나 이상에 결합된 하나 이상의 전기전도성 밀봉층을 포함하며, 상기 전기전도성 밀봉층은 유리성분 및 적어도 Cu-Zn 합금을 함유하는 금속성분을 포함하는 전기전도성 유리로 이루어지는, 스파크 플러그.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 금속성분에 함유된 실질적으로 모든 Zn은 합금화된, 스파크 플러그.
  3. 축방향으로 형성된 관통홀을 구비하는 절연체; 상기 절연체의 일단부면 상에 배치된 말단부착장치; 상기 절연체의 타단부면 상에 배치된 중심전극; 및 상기 말단부착장치 및 상기 중심전극을 서로 전기적으로 연결하기 위해 상기 관통홀 내에 배치된 전기전도성 결합층을 포함하며, 상기 전기전도성 결합층은 상기 말단부착장치 및 상기 중심전극 중 하나 이상에 결합된 하나 이상의 전기전도성 밀봉층을 포 함하는 스파크 플러그를 제조하는 방법으로서, 상기 절연체의 상기 관통홀을 유리분말 및 적어도 Cu-Zn 합금분말을 함유하는 금속분말을 포함하는 전기전도성 유리분말로 충진하고; 상기 전기전도성 밀봉층을 형성하기 위해 상기 전기전도성 유리분말을 연화시키는 단계로 구성되는 스파크 플러그의 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 전기전도성 유리분말은 30질량%보다 많고 75질량%보다 적은 상기 금속분말을 함유하는, 스파크 플러그의 제조방법.
  5. 청구항 3 또는 4에 있어서, 상기 금속분말은 상기 Cu-Zn 합금분말을 10질량%보다 많이 함유하는, 스파크 플러그의 제조방법.
  6. 청구항 3 또는 4에 있어서, 상기 금속분말은 상기 Cu-Zn 합금분말을 50질량%보다 많이 함유하는, 스파크 플러그의 제조방법.
  7. 청구항 3 또는 4에 있어서, 상기 금속분말은 비합금 Zn 분말을 함유하지 않는, 스파크 플러그의 제조방법.
  8. 청구항 3 또는 4에 있어서, 상기 Cu-Zn 합금분말은 5-40질량%의 Zn을 함유하는, 스파크 플러그의 제조방법.
  9. 청구항 3 또는 4에 있어서, 상기 전기전도성 유리분말은 In, Sn, Cr, V 및 Ti으로부터 선택된 하나 이상의 성분으로서 반도체 무기산화물을 함유하는, 스파크 플러그의 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 전기전도성 유리분말은 상기 유리분말 및 상기 금속분말의 총량이 100질량부일 때 상기 반도체 무기산화물을 10질량부 미만으로 함유하는, 스파크 플러그의 제조방법.
  11. 청구항 3 또는 4에 있어서, 상기 금속분말의 평균입자 크기는 5㎛ 이상, 40㎛ 이하인, 스파크 플러그의 제조방법.
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