KR20090087936A

KR20090087936A - 스파크 플러그

Info

Publication number: KR20090087936A
Application number: KR1020097013478A
Authority: KR
Inventors: 레이먼 후쿠자와; 도모아키 가토; 아키라 스즈키
Original assignee: 니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
Priority date: 2007-09-17
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2009-08-18
Also published as: EP2200133A4; EP2200133A1; US20100019644A1; US8217561B2; CN101569070A; JP4405572B1; EP2200133B1; WO2009038001A1; KR101010123B1; JP2010080059A; CN101569070B

Abstract

본 발명의 스파크 플러그는, 주체 금구에 형성되는 부착나사의 JIS 규격에 준거한 호칭지름이 M12 이하인 작은 지름의 스파크 플러그로서 제작되고, 접지전극은, 일단부측으로부터 타단부측으로 향하여 연장되는 제 1 부재의 외면상에, 적어도 1개 이상의 제 i 부재(다만, i =2, 3, 4, 5이다.)를 각각 층 형상으로 피복한 것이고, 타단부의 주체 금구의 선단면으로부터의 돌출길이가 4.5mm 이상이고, 또한 일단부와 타단부와의 사이에 자신을 2.3mm 이하의 곡률 반지름으로 굴곡시킨 굴곡부를 갖고, 돌출길이가 0.5mm 이상, 단면적이 0.20∼1.13mm²의 크기의 전극 팁이 타단부에 있어서 중심 전극의 선단부와 대향하는 위치에 접합되어 있다. 이 때, 식(1)에 의해서 표시되는 접지전극의 20℃에 있어서의 합성 열전도율 X를 35W/(m·K) 이상이 되도록 접지전극을 구성하는 재료를 선택하면, 열 방출 성능을 향상시켜, 피로강도의 저하를 억제할 수 있다.

[수 6]

…(1)

Description

스파크 플러그{SPARK PLUG}

본 발명은, 내부에 적어도 1층 이상의 열 전도성이 높은 부재를 갖는 접지전극에 바늘 형상의 전극 팁이 접합된 스파크 플러그에 관한 것이다.

중심 전극과 대향하는 접지전극의 타단부의 내면(일측면)에 바늘 형상의 전극 팁을 접합하고, 그 전극 팁과 중심 전극과의 사이에서 스파크 간극(spark gap)을 형성한 스파크 플러그가 알려져 있다. 이 구성의 스파크 플러그에서는, 종래의 것과 비교해서 접지전극을 스파크 간극으로부터 멀리할 수 있기 때문에, 스파크 간극으로 형성되는 화염핵을 성장 과정의 초기의 단계에서 접지전극에 접촉시키기 어렵게 할 수 있다. 이 때문에, 접지전극에 의한 소염(消炎) 작용이 저감되어, 스파크 플러그의 착화성은 향상한다. 이러한 스파크 플러그에서는, 전극 팁이 수열(受熱)하여 고온화하면 내(耐)스파크 소모성(spark wear resistance)이 저하한다. 따라서, 특허문헌 1에는, 전극 팁으로부터 신속하게 열 방출을 행할 수 있도록, 접지전극의 내부에 열 전도성이 높은 심재를 설치한 스파크 플러그가 제안되어 있다.

상기와 같은 접지전극에 바늘 형상의 전극 팁이 접합된 스파크 플러그에 있어서는, 전극 팁의 길이 분만큼, 종래보다 접지전극을 길게 형성할 필요가 있다. 또한, 근년, 엔진의 소형화, 고성능화에 수반하여 스파크 플러그의 소형화, 소경화 가 요구되고 있지만, 스파크 플러그의 소경화에 따라, 지름 방향에 있어서 접지전극과 스파크 간극과의 거리는, 종래보다 작아지고 있다. 이 때문에, 스파크 간극에서 형성되는 화염핵의 성장을 방해하지 않게 하기 위해서는, 스파크 간극의 위치에 있어서, 접지전극과 스파크 간극과의 지름 방향의 거리를 확보할 필요가 있다. 즉, 접지전극에 의해서 화염핵의 성장이 방해되는 것을 방지하면서 접지전극의 타단부를 중심 전극과 대향시키기 위해서는, 접지전극에 있어서 축선방향으로 연장되는 부위를 확보하고, 가능한 한 선단측에서 접지전극을 굴곡시키도록, 굴곡부에 있어서의 굽힘의 정도를 크게 할(접지전극 내면의 곡률 반지름을 작게 할) 필요가 있다.

특허문헌 1 : 일본 공개특허공보 평성2005-135783호

그러나, 접지전극에서는, 굴곡부에 있어서의 내면의 최소의 곡률 반지름을 작게 하면, 굴곡부에 있어서 내부 응력이 높아지기 쉽다. 또한, 접지전극을 길게 형성함으로써 접지전극 자신의 중량이 증가하고, 타단부에 설치한 전극 팁의 중량도 더 증가함으로써, 엔진의 구동에 수반하는 진동에 의해서 굴곡부에 걸리는 응력은, 비교적 큰 것이 된다. 한편, 접지전극이 길어져 접지전극 자신의 열 방출의 경로(타단부측으로부터 일단부측으로 향하여 주체 금구(metal shell)에 방출되는 열의 전도 경로)가 길어졌기 때문에, 접지전극의 열 방출 성능(heat radiation ability)이 저하되고 있다. 이 때문에, 열 부하(thermal load)에 의해 금속의 피로강도가 저하한 상태에서는, 특히 굴곡부에 있어서, 높아진 내부 응력이 피로 한계를 넘어, 부러짐(breakage)을 일으켜 버릴 우려가 있어, 접지전극의 내절손성(耐折損性;breakage resistance)의 저하를 초래할 우려가 있었다.

[발명의 해결하고자 하는 과제]

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 접지전극의 열 방출을 보다 확실히 행하여 금속의 피로강도의 저하를 억제하여, 응력이 집중하기 쉬운 굴곡부에 있어서의 부러짐의 발생을 방지하고, 접지전극의 내절손성을 높일 수 있는 스파크 플러그를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의하면, 중심 전극과, 축선방향을 따라서 연장되는 축 구멍을 갖고, 그 축 구멍의 내부에서 상기 중심 전극을 유지하는 절연 애자(碍子)와, 상기 절연 애자의 지름 방향에 있어서의 주위를 둘레방향으로 둘러싸고 유지하는 주체 금구와, 일단부가 상기 주체 금구(metal shell)의 선단면에 접합되고, 타단부가 상기 중심 전극의 선단부로 향하도록, 상기 일단부와 상기 타단부와의 사이에 자신을 굴곡시킨 굴곡부를 갖는 접지전극과, 상기 접지전극의 상기 타단부에 있어서 상기 중심 전극의 상기 선단부와 대향하는 위치에 접합되고, 상기 타단부로부터의 돌출길이가 0.5mm 이상의 크기를 갖고, 단면적이 0.20∼1.13mm²의 전극 팁을 구비하고, 상기 접지전극은, 상기 일단부측으로부터 상기 타단부측으로 향하여 연장되는 제 1 부재의 외면상에, 적어도 1개 이상의 제 i 부재(다만, i=2, 3, 4, 5이다.)를 각각 층 형상으로 피복한 것으로서, 상기 굴곡부에 있어서 상기 중심 전극측을 향하는 일측면의 최소의 곡률 반지름이 2.3mm 이하인 것과 동시에, 상기 타단부의 부위 중, 상기 주체 금구의 상기 선단면으로부터 상기 축선방향으로 가장 돌출한 부위가, 상기 선단면으로부터 돌출한 길이가 4.5mm 이상이고, 또한, 상기 주체 금구에 형성되는 부착나사의 호칭지름(nominal diameter)이 JIS 규격에 준거한 M12 이하인 스파크 플러그로서, 식(1)에 의해서 표시되는 상기 접지전극의 20℃에 있어서의 합성 열전도율 X가 35W/(m·K) 이상인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그가 제공된다.

[수 1]

…(1)

다만, n은, 상기 접지전극을 구성하는 부재의 최대수를 나타내고, 2 이상 5 이하의 정수이다.

도 1은 본 실시형태에 있어서의 스파크 플러그(100)의 부분 단면도이다.

도 2는 본 실시형태에 있어서의 스파크 플러그(100)의 중심 전극(20)의 선단부(22) 부근의 확대도이다.

도 3은 접지전극의 굴곡부에 있어서의 굽힘의 정도(곡률 반지름 R)와 접지전극의 수명{절손(breakage)이 생긴 사이클 수}과의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 4는 접지전극의 합성 열전도율 X와 접지전극의 수명(절손이 생긴 사이클 수)과의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 5는 주체 금구의 선단면으로부터의 접지전극의 돌출길이 L과 접지전극의 수명(절손이 생긴 사이클 수)과의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 6은 접지전극의 합성 인장강도 Y와 접지전극의 수명(절손이 생긴 사이클 수)과의 관계를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 관한 스파크 플러그(100)에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 한편, 스파크 플러그(100)의 축선(O) 방향을 도 1, 2에 있어서의 상하 방향으로 하고, 아래쪽을 스파크 플러그(100)의 선단측, 위쪽을 후단측으로 하여 설명한다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 스파크 플러그(100)는, 개략, 자신의 축 구멍 (12)내의 선단측에 중심 전극(20)을 유지하고, 후단측에 단자 금구(metal terminal:40)를 유지한 절연 애자(10)를, 절연 애자(10)의 지름 방향 주위를 주체 금구(50)로 둘러싸서 유지한 구조를 갖는다. 또한, 주체 금구(50)의 선단면(57)에는 접지전극(30)이 접합되어 있고, 그 타단부{선단부(31)}측이 중심 전극(20)과 대향하도록 굴곡되어 있다.

절연 애자(10)는 주지하는 바와 같이 알루미나 등을 소성하여 형성되고, 축 중심에 축선(O) 방향으로 연장되는 축 구멍(12)이 형성된 통형상을 갖는다. 축선 (O) 방향의 대략 중앙에는 바깥지름이 가장 큰 플랜지부(19)가 형성되어 있고, 그것보다 후단측(도 1에 있어서의 위쪽)에는 후단측 몸통부(18)가 형성되어 있다. 플랜지부(19)보다 선단측(도 1에 있어서의 아래쪽)에는 후단측 몸통부(18)보다 바깥 지름이 작은 선단측 몸통부(17)가 형성되고, 그 선단측 몸통부(17)보다 더 선단측에, 선단측 몸통부(17)보다 바깥지름이 작은 다리부(leg portion;13)가 형성되어 있다. 다리부(13)는 선단측일수록 지름dl 축소되고 있고, 스파크 플러그(100)가 내연기관의 엔진 헤드(도시 외)에 부착되었을 때에는, 그 연소실내에 노출된다. 또한, 다리부(13)와 선단측 몸통부(17)와의 사이는 단부(段部)(15)로서 형성되어 있다.

중심 전극(20)은, 인코넬(상표명) 600 또는 601 등의 니켈 또는 니켈을 주성분으로 하는 합금으로 형성된 모재의 내부에, 그 모재보다 열 전도성이 우수한 구리 또는 구리를 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 심재(25)를 매설한 구조를 갖는 막대형상의 전극이다. 중심 전극(20)은 절연 애자(10)의 축 구멍(12)내의 선단측에 유지되고 있고, 그 선단부(22)가, 절연 애자(10)의 선단보다 선단측으로 돌출되어 있다. 중심 전극(20)의 선단부(22)는 선단측을 향하여 지름이 작아지도록 형성되어 있고, 그 선단부(22)의 선단면에는, 내스파크 소모성을 향상하기 위해 귀금속으로 이루어지는 전극 팁(90)이 접합되어 있다.

절연 애자(10)의 선단 부근의 축 구멍(12)의 안둘레면과 그 안둘레면에 대향하는 중심 전극(20)의 바깥둘레면과의 사이에는 약간의 간극이 설치되어 있고(도 2 참조), 연기가 날 때에 이 간극에서 코로나 방전을 발생시켜, 절연 애자(10)의 선단 부근에 부착한 카본을 달구어 잘라, 절연 저항을 회복시키도록 되어 있다. 이 중심 전극(20)은 축 구멍(12)내를 후단측을 향하여 연장되어 있고, 시일체(4) 및 세라믹 저항(3)을 경유하여, 후방(도 1에 있어서의 위쪽)의 단자 금구(40)에 전기 적으로 접속되어 있다. 그리고 단자 금구(40)에는 고압 케이블(도시 외)이 플러그 캡(도시 외)을 통하여 접속되어, 고전압이 인가되게 되어 있다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 주체 금구(50)는, 내연기관의 엔진 헤드(도시 외)에 스파크 플러그(100)를 고정하기 위한 원통형상의 금구이고, 절연 애자(10)를, 그 후단측 몸통부(18)의 일부로부터 다리부(13)에 걸친 부위를 둘러싸도록 하여, 내부에 유지하고 있다. 주체 금구(50)는 저탄소강재로 형성되어, 도시 외의 스파크 플러그 렌치가 끼워맞춤하는 공구 걸어맞춤부(51)와, 엔진 헤드의 부착구멍(도시 외)에 나사결합되는 나사산이 형성된 부착나사부(52)를 구비하고 있다.

주체 금구(50)의 공구 걸어맞춤부(51)와 부착나사부(52)와의 사이에는 플랜지 형상의 시일부(54)가 형성되어 있다. 그리고, 부착나사부(52)와 시일부(54)와의 사이의 나사 목(thread neck:59)에는, 판체를 접어 구부려 형성한 고리 형상의 개스킷(5)이 끼워 꽂아져 있다. 개스킷(5)은, 스파크 플러그(100)를 엔진 헤드의 부착구멍(도시 외)에 부착했을 때에, 시일부(54)의 베어링면(55)과 부착구멍의 개구 둘레가장자리와의 사이에서 찌부러져 변형되어, 양자 사이를 밀봉함으로써, 부착구멍을 통한 엔진내의 기밀 누설을 방지하는 것이다.

주체 금구(50)의 공구 걸어맞춤부(51)보다 후단측에는 얇은 두께의 가체부 (thin swaged portion:53)가 설치되고, 시일부(54)와 공구 걸어맞춤부(51)와의 사이에는, 가체부(53)와 같이 얇은 두께의 좌굴부(58)가 설치되어 있다. 그리고, 공구 걸어맞춤부(51)로부터 가체부(53)에 걸친 주체 금구(50)의 안둘레면과 절연 애자(10)의 후단측 몸통부(18)의 바깥둘레면과의 사이에는 원 고리 형상의 링부재 (6,7)가 개재되어 있고, 또한 양 링부재(6,7) 사이에 탈크(활석)(9)의 분말이 더 충전되어 있다. 가체부(53)를 안쪽으로 접어 구부리도록 하여 조이는 것에 의하여, 링부재(6,7) 및 탈크(9)를 사이에 두고, 절연 애자(10)가 주체 금구(50)내에서 선단측을 향하여 눌러진다. 이것에 의해, 주체 금구(50)의 안둘레에서 부착나사부 (52)의 위치에 형성된 단부(56)에, 고리 형상의 판패킹(8)을 사이에 두고, 절연 애자(10)의 단부(15)가 지지되고, 주체 금구(50)와 절연 애자(10)가 일체가 된다. 이 때, 주체 금구(50)와 절연 애자(10)와의 사이의 기밀성은 판패킹(8)에 의해서 유지되어, 연소 가스의 유출이 방지된다. 또한, 좌굴부(58)는, 조여질 때에, 압축력의 부가에 수반하여 외향으로 굽힘 변형하도록 구성되어 있고, 탈크(9)의 축선(O) 방향의 압축길이를 길게 하여 주체 금구(50)내의 기밀성을 높이고 있다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 접지전극(30)은, 단면 직사각형의 막대형상으로 형성한 전극의 일단부{기초단부(32)}를 주체 금구(50)의 선단면(57)에 접합하여, 축선(O)방향을 따라서 연장되면서, 자신의 일측면{내면(33)}이 타단부{선단부(31)}에 있어서 중심 전극(20)의 선단부(22)와 마주보도록, 굴곡부(34)에서 접어 구부린 것이다. 접지전극(30)은, 제 1 부재의 외면상에, 적어도 1개 이상의 부재를 층 형상으로 피복한 층구조, 바람직하게는 2층에서 5층의 부재를 피복한 층 구조를 갖고 있다. 본 실시형태에서는, 일례로서, 접지전극(30)은, 제 1 부재(35)의 외면상에 제 2 부재(36)를 피복하고, 그 외면상을 제 3 부재(37)로 더 피복한 구조를 이루는 것으로 한다. 제 1 부재(35), 제 2 부재(36) 및 제 3 부재(37)는, 접지전극(30)의 기초단부(32)로부터 선단부(31)측으로 향하여 연장되며, 그 중 제 1 부재(35) 및 제 2 부재(36)는 선단부(31)내에 말단이 배치되고, 외부로는 노출하고 있지 않다. 즉 접지전극(30)은, 적어도 굴곡부(34)에 있어서, 자신을 구성하는 3부재에 의한 3층 구조{제 1 부재(35)의 바깥둘레를 제 2 부재(36) 및 제 3 부재(37)로 2중으로 피복한 구조}를 이루고 있다

제 1 부재(35)는, Ni, Fe 등의 단체 혹은 이것을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지고, 접지전극(30)의 내절손강도를 확보하는 것과 동시에, 접지전극(30)의 주체 금구(50)에의 접합 강도를 확보하는 역할을 다한다. 제 2 부재(36)는, Cu, Fe, Ag, Au 등의 단체 혹은 이것을 주성분으로 하는 열 전도성이 높은 합금으로 형성되고, 접지전극(30) 자신이나, 선단부(31)에 접합되는 전극 팁(95)이 수열한 열을 주체 금구(50)측에 방출하는 역할을 다한다. 제 3 부재(37)는, 인코넬(상표명) 600 또는 601 등의 Ni계 합금으로 이루어지고, 내부식성이나 강성이 높고, 연소실내에서 반복되는 혼합기의 연소에 노출되는 접지전극(30)의 산화를 억제하는 것과 동시에, 연소압에 견디어 절손을 방지한다.

이 접지전극(30)의 선단부(31)에는, 중심 전극(20)의 선단부(22)에 접합된 전극 팁(90)과 대향하여 스파크 간극(G)을 형성하는 전극 팁(95)이, 내면(33)으로부터 바늘 형상으로 돌출하도록 접합되어 있다. 전극 팁(95)은, 예를 들면 Pt, Ir, Rh 등, 내스파크 소모성이 높은 귀금속으로 형성된 것이고, 단면적(전극 팁(95)의 돌출 방향과 직교하는 단면의 단면적) S가 0.20∼1.13mm²이고 돌출길이{전극 팁(95)이 내면(33)으로부터 스파크 간극(G)으로 향하여 돌출하는 길이} H가 0.5mm 이상의 기둥형상을 이룬다. 중심 전극(20) 및 접지전극(30)으로부터 전극 팁(90,95)을 각각 돌출시킴으로써, 양 전극간의 불꽃 방전(spark discharge)이 적극적으로 스파크 간극(G)에서 행하여지고, 또한, 형성된 화염핵이 그 성장 과정의 초기의 단계에서 접지전극(30)에 접촉하여 열을 빼앗기는 것이 억제되어 있다.

이러한 구조를 갖는 본 실시형태의 스파크 플러그(100)는, 주체 금구(50)의 부착나사부(52)에 형성된 나사산의 호칭지름이 JIS-B8031(1995)에 준거한 M12 이하인 작은 지름의 스파크 플러그로서 제작되고 있다. 이러한 스파크 플러그(100)에서는 지름 방향에 있어서의 중심 전극(20)과 접지전극(30)과의 거리가 보다 작아지고 있기 때문에, 접지전극(30)의 축선(O) 방향을 따라서 연장되는 부위를 확보해서 가능한 한 선단측에서 굴곡시키도록, 굴곡부(34)에 있어서의 굽힘의 정도를 크게 한 구성으로 하고 있다. 구체적으로는, 접지전극(30)의 굴곡부(34)에 있어서의 내면 (33)의 최소의 곡률 반지름을 R(도면중 2점쇄선으로 도시한다.)로 했을 때, 그 곡률 반지름 R이 2.3mm 이하가 되도록, 굴곡부(34)의 굽힘 정도를 규정하고 있다. 환언하면, 축선(O)과 접지전극(30)의 길이방향과 직교하는 단면의 중앙을 포함한 평면으로 절단한 접지전극(30)의 단면을 보았을 때에, 굴곡부(34)에 있어서의 내면 (33)의 굴곡의 정도가 가장 큰 부위, 즉, 곡률 반지름이 가장 작은 부위에 있어서의 그 곡률 반지름(최소의 곡률 반지름)을 R로 하고 있다. 한편, 이하에서는, 접지전극의 굴곡부에 있어서의 내면의 최소의 곡률 반지름에 대해서, 편의상, 단순히 '곡률 반지름'이라고 하는 것으로 한다.

후술하는 실시예 1에 의해 실증되는 바와 같이, 곡률 반지름 R이 2.3mm보다 크면, 접지전극(30)의 굴곡부(34)에 있어서 발생하는 내부 응력이 원래 작고, 접지전극(30)의 수명(고부하를 준 경우에 절손이 발생할 때까지의 사이클 수)에 대해, 이것이 큰폭으로 저하할 정도의 영향을 주지 않는다. 그러나, 곡률 반지름 R이 2.3mm 이하로 종래보다 작으면, 접지전극(30)의 굴곡부(34)에 있어서 내부 응력이 높아지고 있기 때문에, 굴곡부(34)에 있어서의 내부 응력의 증가가 접지전극(30)의 수명에 영향을 주기 쉽다.

또한, 전극 팁(95)이 평판 형상을 이루고, 바늘 형상과 비교하여 그 중량이 작으면, 엔진의 구동에 수반하는 진동 부하에 의한 굴곡부(34)에의 영향은 적다. 그러나, 단면적 S가 0.20∼1.13mm²이고 돌출길이 H가 0.5mm 이상의 바늘 형상을 이루는 전극 팁(95)이 접합된 것으로, 접지전극(30)의 타단부{선단부(31)}에 있어서의 중량이 증가하고 있기 때문에, 엔진의 구동에 수반하는 진동 부하가 접지전극 (30)에 가해졌을 때, 전극 팁(95)의 중량에 의해 굴곡부(34)에 부하가 걸려, 내부 응력이 높아지기 쉽다.

이와 같이, 바늘 형상의 전극 팁(95)이 접합된 접지전극(30)을 작은 지름의 스파크 플러그(100)에 적용한 경우, 특히 굴곡부(34)에 있어서 내부 응력이 높아지기 쉽지만, 열 방출 성능을 개선하고, 접지전극(30) 자신이 받는 열 부하를 작게 하는 것에 의해, 금속의 피로강도를 확보하여, 굴곡부(34)에 있어서의 내부 응력이 피로 한계를 넘기 어려워지도록 할 수 있고, 접지전극(30)의 내절손성을 높여 수명을 큰폭으로 늘리는 효과를 얻을 수 있다. 구체적으로는, 복수의 부재로부터 층 구 조를 이루는 접지전극(30)을 제작했을 때에, 이하의 일반식(1)으로 표시되는 20℃에 있어서의 합성 열전도율 X가 35W/(m·K) 이하가 되도록 접지전극(30)을 구성하는 재료를 선택함으로써, 각 부재의 배분 비율에 관계없이, 접지전극(30)의 열 방출 성능을 높이고, 접지전극(30)의 수명을 늘리는 효과를 얻을 수 있다.

[수 2]

…(1)

다만, n은 접지전극을 구성하는 부재의 최대수를 나타내고, 2 이상 5 이하의 정수이다.

본 실시형태에서는, 접지전극(30)이 제 1 부재(35), 제 2 부재(36), 제 3 부재(37)로 이루어지는 3층 구조를 갖기 때문에, 접지전극(30)의 20℃에 있어서의 합성 열전도율 X는 다음식으로 표시된다.

X=[{v1/(v1+v2+v3)}×x1]+[{v2/(v1+v2+v3)}×x2]+[{v3/(v1+v2+v3)}×x3]

다만, 제 1 부재(35), 제 2 부재(36), 제 3 부재(37)의 20℃에 있어서의 열전도율을 각각 x1, x2, x3(W/(m·K))으로 하고, 제 1 부재(35), 제 2 부재(36), 제 3 부재(37)의 체적을 각각 v1, v2, v3(mm³)으로 한다.

접지전극(30)을 구성하는 각 부재의 체적은, 예를 들면 접지전극(30)을 그 길이 방향에 있어서 등간격으로(예를 들면 1mm마다) X선 등에 의한 단면 해석을 행하여, 각 단면에 있어서 각 부재가 차지하는 면적을 각각 구하여, 그 적분치를 구 하면 좋다.

후술하는 실시예 2에서 실증되는 바와 같이, 접지전극(30)의 20℃에 있어서의 합성 열전도율 X가 35W/(m·K) 이상이면, 접지전극(30) 자신이나 전극 팁(95)의 수열한 열을 충분히 주체 금구(50)측에 방출할 수 있으므로, 열에 의한 금속의 피로강도의 저하를 억제할 수 있다. 이 때문에 접지전극(30)은, 특히 내부 응력이 증가하기 쉬운 굴곡부(34)에 있어서나 절손에 대한 내성이 향상하여, 엔진의 구동에 수반하는 냉열 사이클이 반복되어도 충분히 그 수명을 늘리는 효과를 얻을 수 있다.

그런데, 중심 전극(20)의 선단부(22)에 설치한 전극 팁(90)과, 접지전극(30)의 선단부(31)에 설치한 전극 팁(95)과의 사이의 스파크 간극(G)의 크기를 충분히 확보하기 위해서는, 접지전극(30)의 선단부(31)를 주체 금구(50)의 선단면(57)으로부터 축선(O) 방향으로, 보다 돌출시킬 필요가 있다. 접지전극(30)의 선단부(31)의 주체 금구(50)의 선단면(57)으로부터의 축선(O) 방향으로의 돌출길이를 L로 하면, L이 커질수록 접지전극(30)의 전체 길이{선단부(31)로부터 기초단부(32)까지의 길이}가 늘어나게 되어, 즉 열 방출의 경로가 길어지므로 열에 의한 금속의 피로강도의 저하를 초래하는 우려가 있다. 또한, 자중도 증가하기 때문에, 엔진의 구동에 수반하는 진동 부하가 접지전극(30)에 가해진 경우, 특히 굴곡부(34)에 있어서의 내부 응력의 증가를 초래하기 쉽다. 이러한 경우에도, 접지전극(30)의 합성 열전도율 X가 35W/(m·K) 이상이면, 열에 의한 금속의 피로강도의 저하를 억제할 수 있어, 엔진의 구동에 수반하는 냉열 사이클이 반복되어도 충분히 그 수명을 늘리는 효과를 얻을 수 있다. 돌출길이 L이 4.5mm 미만이고 자신의 전체 길이가 짧은 접지전극(30)에서는, 원래 열 방출의 경로가 짧기 때문에 수명에 대해 영향이 생기기 어렵다. 수명 연장 효과는, 후술하는 실시예 3에서 실증되는 바와 같이, 돌출길이 L이 4.5mm 이상의 접지전극(30)에서 현저하게 나타난다.

또한, 열전도율이 높은 부재는, 일반적으로, 인장강도가 낮은 것이 알려져 있다. 접지전극(30)의 열 방출 성능을 높이는 대신에 인장강도가 낮은 부재를 이용하여, 접지전극(30)으로서의 기계적인 강성이 저하하면 접지전극(30) 그 자체의 내절손성의 저하를 초래하기 때문에, 이하의 일반식(2)으로 표시되는 20℃에 있어서의 접지전극(30)의 합성 인장강도 Y를 55kgf/mm²로 규정하는 것이 바람직하다.

[수 3]

…(2)

본 실시형태에서는, 접지전극(30)이 제 1 부재(35), 제 2 부재(36), 제 3 부재(37)로 이루어지는 3층 구조를 갖기 때문에, 접지전극(30)의 20℃에 있어서의 합성 열전도율 Y는 다음식으로 표시된다.

Y=[{v1/(v1+v2+v3)}×y1]+[{v2/(v1+v2+v3)}×y2]+[{v3/(v1+v2+v3)}×y3]

다만, 제 1 부재(35), 제 2 부재(36), 제 3 부재(37)의 20℃에 있어서의 인 장강도를 각각 y1, y2, y3(kgf/mm²)으로 한다.

후술하는 실시예 4에서 실증되는 바와 같이, 접지전극(30)의 20℃에 있어서의 합성 인장강도 Y가 55kgf/mm²보다 커지면, 층구조를 이루는 각 부재의 배분 비율에 관계없이, 접지전극(30)의 내절손성을 저하시키는 일 없이 충분히 열 방출 성능을 높이고, 접지전극(30)의 수명을 늘리는 효과를 얻을 수 있다. 한편, 접지전극 (30)의 20℃에 있어서의 합성 인장강도 Y가 55kgf/mm² 이하이면, 접지전극(30) 자신이 높은 강성을 얻을 수 없고, 합성 열전도율 X의 향상에 알맞을 만한 수명의 수명연장 효과를 얻을 수 없는 경우가 있다.

또한, 접지전극(30)의 굴곡부(34)에 있어서의 일측면측{내면(33)}의 최소의 곡률 반지름 R은, 1.0mm 이상으로 하면 좋다. 곡률 반지름 R이 1.0mm 미만인 경우, 굴곡부(34)의 굽힘 정도가 크고, 내부 응력이 더 높아지기 때문에, 접지전극(30)의 열 방출 성능을 개선하는 것에 의해, 열 부하를 저감하여 금속의 피로강도를 확보해도, 접지전극(30)의 내절손성을 향상하고 수명을 늘리는 효과를 얻기 어렵기 때문이다.

또한, 접지전극(30)을 구성하는 각 층 중, 열전도율이 양호한, 이른바 양열(良熱) 전도 부재(high thermal conductivity material)에 의해 구성되는 층이, 접지전극(30)의 전체의 체적에 대해서 차지하는 비율을, 12.5% 이상 57.5% 이하로 규정하는 것이 바람직하다. 여기서, 양열 전도 부재란, 구체적으로, 20℃에 있어서의 열전도율이, 50W/(m·K) 이상의 재료를 가리킨다. 상기의 일반식(1)에 의하면, 열 전도율이 높은(양호한) 부재에 의해 구성되는 층이, 그 체적에 있어서, 접지전극 (30) 전체의 체적에 대해서 차지하는 비율이 낮아질수록, 접지전극(30)의 합성 열전도율 X가 저하하는 것을 알 수 있다. 후술하는 실시예 5에서 실증되는 바와 같이, 접지전극(30) 전체의 체적에 대한 양열 전도 부재에 의해 구성되는 층의 체적의 비율이 12.5% 미만이 되면, 접지전극(30)의 합성 열전도율이 내려가, 열 방출 성능이 저하하여 굴곡부(34)에 걸리는 열 부하를 경감하기 어려워지기 때문에, 내절손성의 확보가 어려운 경우가 있다. 한편, 상기의 일반식(2)에 의하면, 인장강도가 낮은 부재, 즉, 양열 전도 부재에 의해 구성되는 층이, 그 체적에 있어서, 접지전극(30) 전체의 체적에 대해서 차지하는 비율이 높아질수록, 접지전극(30)의 합성 인장강도 Y가 저하하는 것을 알 수 있다. 후술하는 실시예 5에서 실증되는 바와 같이, 접지전극(30) 전체의 체적에 대한 양열 전도 부재에 의해 구성되는 층의 체적의 비율이 57.5%보다 커지면, 접지전극(30)의 합성 인장강도가 내려가, 굴곡부 (34)에 있어서 내부 응력에 대한 내력을 충분히 얻기 어려워지기 때문에, 내절손성의 확보가 어려운 경우가 있다. 따라서, 상기 비율을 12.5∼57.5%로 함으로써, 접지전극(30)의 내절손성을 보다 확실히 확보할 수 있다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 접지전극(30)의 기초단부(32)로부터 선단부(31)로 향하는 방향과 직교하는 단면의 중앙을 지나는 중앙선 P에 직교하는 접지전극 (30)의 단면에 있어서, 그 단면의 면적을 1.5mm² 이상 5.0mm² 이하로 규정해도 좋다. 상기와 같이, 복수의 부재에 의한 층 구조를 이루는 접지전극(30)을 제작하기 위해서는, 예를 들면 접지전극을 구성하는 각층의 기초가 되는 부재를 컵 형상으로 성형하고, 순서대로 겹쳐 씌우도록 조합시킨 후에, 압출 성형을 행한다. 이 때문에, 접지전극(30)의 중앙선 P에 직교하는 단면의 면적이 1.5mm² 미만이 되도록 제조하면, 접지전극(30) 자체가 가늘어져, 각층의 두께도 얇아지기 때문에, 인장강도가 높은 부재를 이용하여 제작했다고 해도, 접지전극(30)의 내절손성을 확보하는 것이 어려운 경우가 있다. 한편, 접지전극(30)의 중앙선 P에 직교하는 단면의 면적이 5.0mm²보다 커지도록 제조하면, 접지전극(30)이 굵어져, 굴곡부(34)의 형성공정에 있어서 접지전극(30) 전체를 굴곡시키기 어려워지기 때문에, 생산성의 확보가 어려운 경우가 있다. 따라서, 접지전극(30)의 중앙선 P에 직교하는 단면의 면적을, 1.5mm² 이상 5.0mm² 이하로 하면, 접지전극의 내절손성을 확보하면서 생산 효율을 높일 수 있다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 접지전극(30)을 구성하는 복수의 층중, 20℃에 있어서의 열전도율이 가장 큰 층{본 실시형태에서는 제 2 부재(36)}이, 20℃에 있어서의 열전도율이 50W/(m·K) 미만의 부재에 의해 구성되는 층에 의해서 피복되어 이루어지고, 접지전극(30)의 일단부{기초단부(32)}로부터 타단부{선단부(31)}로 향하는 방향과 직교하는 단면의 중앙을 지나는 제 1 중앙선(P)을 따라서, 접지전극 (30) 자신이 연장되는 길이를 A로 하고, 제 1 중앙선(P)을 포함한 평면에, 전극 팁 (95)의 선단부(31)로부터 스파크 간극(G)으로 향하여 돌출하는 방향과 직교하는 단면의 중앙을 지나는 제 2 중앙선(Q)을 투영했을 때에, 제 1 중앙선(P)을 따라서, 제 1 중앙선(P)과 제 2 중앙선(Q)과의 교점으로부터 기초단부(32)의 끝단까지의 길이를 B로 하고, 20℃에 있어서의 열전도율이 가장 큰 층이, 기초단부(32)의 끝단으로부터 선단부(31)로 향하여 제 1 중앙선(P)을 향하여 연장되는 길이를 C로 했을 때에, 5.5mm≤C<B≤A≤11.5mm를 만족하도록, 접지전극(30)의 길이나, 접지전극(30)을 구성하는 복수의 층중 20℃에 있어서의 열전도율이 가장 큰 층의 길이, 전극 팁 (95)의 접합 위치에 대해서도 규정해도 좋다.

C<B를 만족하지 않는 경우, 접지전극(30)의 선단부(31)의 내면(33)에 있어서의 전극 팁(95)의 접합 위치의 바로 아래{그 접합 위치를 중앙선(Q)을 따라서 투영한 범위내}에, 적어도, 접지전극(30)을 구성하는 복수의 층 중 20℃에 있어서의 열전도율이 가장 큰 층이 배치되게 된다. 그러면, 스파크 플러그(100)의 제조 과정에 있어서, 접지전극(30)과 전극 팁(95)을 접합할 때에, 용접을 위해 접합 부위에 가하는 열이, 쉽게 방출되어 버리는 경우가 있다. 접합 시에 충분한 열을 얻을 수 없게 되면, 접지전극(30)과 전극 팁(95)과의 용융부의 형성이 저해되어, 전극 팁(95)의 접합이 불충분하게 될 우려가 있다.

접지전극(30) 전체의 길이가 길어져 A>11.5mm가 되면, 선단부(31)의 크기도 커져, 굴곡부(34)에 걸리는 기초단부(32)의 중량의 영향도 커진다. 그러면, 엔진의 구동에 수반하는 진동 부하가 접지전극(30)에 가해진 경우, 특히 굴곡부(34)에 있어서의 내부 응력의 증가를 초래하기 쉽고, 접지전극(30)의 내절손성의 확보가 어려워진다. 한편, 접지전극(30) 전체의 길이가 짧아져 A<5.5mm가 되면, 선단부(31)의 크기는 작아져서, 굴곡부(34)에 걸리는 선단부(31)의 무게의 영향도 작아진다. 굴곡부(34)에 있어서의 내부 응력이 저감되기 때문에 접지전극(30)의 내절손성을 확보할 수 있지만, 열 부하를 저감하여, 금속의 피로강도를 확보함으로써 접지전극 (30)의 내절손성을 향상한다고 하는 효과를 얻기 어렵다.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 더 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

실시예 1에서는, 접지전극(30)의 굴곡부(34)에 있어서의 구부러짐의 정도와 접지전극(30)의 수명과의 관계에 대해 확인하기 위한 평가 시험을 행하였다. 이 평가 시험에서는, 제 1 부재, 제 2 부재, 제 3 부재로 이루어지는 3층 구조를 이루고, 일반식(1)에 따라서 구한 합성 열전도율 X가 15W/(m·K)의 접지전극과, 45W/(m·K)의 접지전극을 각각 복수 준비하였다. 또한, 단면적 S가 0.38mm³(φ0.7mm)이고 돌출길이 H가 0.8mm의 바늘 형상의 전극 팁과, 단면적 S가 0.38mm³이고 돌출길이 H가 0.2mm의 평판 형상의 전극 팁을 각각 복수개 준비하고, 상기 각 합성 열전도율 X를 갖는 2종류의 접지전극과 서로 조합한 전극 팁 부착 접지전극을 제작하였다. 그리고 각 접지전극을 이용한 스파크 플러그의 샘플을 조립하여, 스파크 간극(G)을 형성할 때에, 접지전극의 내면의 곡률 반지름 R을 0.5∼3.0(mm)의 범위에서 변화시켜 굴곡부의 굽힘을 행하였다. 이와 같이 제작된 스파크 플러그의 샘플을 450cc 단기통의 테스트 엔진에 조립 부착하여 구동하여, 무부하 레이싱 패턴에 의한 열 부하 및 진동 부하를 주는 평가 시험을 행하였다. 무부하 레이싱 패턴이란, 엔진을 아이들링 상태로부터 단번에 풀 스로틀 상태(full-throttle state)(8000rpm)로 하고, 다시 아이들링 상태로 되돌리는 테스트 패턴이다. 이 무부하 레이싱 패턴에 의한 시험은, 접지전극에 가해지는 진동 부하가 매우 커서, 접지전극의 내절손성을 평가하는데 적합하다. 이 1회의 구동 패턴을 1사이클로 하고, 각 테스트 샘플에 대해서, 접지전극에 절손이 발생하기까지 걸린 사이클 수(접지전극의 수명)를 조사하였다. 시험 결과를 도 3에 도시한다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 평판 형상의 전극 팁이 접합되어, 합성 열전도율 X가 45W/(m·K)인 접지전극을 이용한 샘플에서는, 굴곡부에 있어서의 곡률 반지름 R이 1.0mm일 때에는 약 90000사이클의 접지전극의 수명을 얻을 수 있고, 1.5mm 이상에서는 약 100000사이클의 수명을 얻을 수 있었다{꺾인 선 그래프(115)}. 이 접지전극의 합성 열전도율 X를 15W/(m·K)로 한 경우, 굴곡부에 있어서의 곡률 반지름 R이 1.5mm보다 큰 경우에서는 X가 45W/(m·K)의 것과 대략 동등한 수명을 얻을 수 있었지만, 1.5mm 이하에서는 수명이 저하하였다{꺾인 선 그래프(116)}. 한편, 바늘 형상의 전극 팁이 접합되어, 합성 열전도율 X가 45W/(m·K)인 접지전극을 이용한 샘플에서는, 접지전극의 수명은, 상기 평판 형상의 전극 팁을 접합한 샘플과 대략 동등하게 되었다{꺾인 선 그래프(111)}. 그러나, 이 접지전극의 합성 열전도율 X를 15W/(m·K)로 한 경우, 굴곡부에 있어서의 곡률 반지름 R이 2.3mm보다 큰 경우에는 X가 45W/(m·K)의 것과 대략 동등한 수명을 얻을 수 있었지만 2.3mm 이하에서는 수명이 저하하였다{꺾인 선 그래프(112)}. 한편, 어느 샘플도, 굴곡부에 있어서의 곡률 반지름 R이 0.5mm에서는, 수명이 더 크게 저하하고, X가 45W/(m·K)의 평판 형상 전극 팁 이외는 수명이 약 60000 사이클을 밑돌고, 그 평판 형상 전극 팁이라도 약 80000사이클의 수명 밖에 얻을 수 없었다.

접지전극의 합성 열전도율 X가 45W/(m·K)로 열 방출이 양호한 경우, 평판 형상의 전극 팁이 접합된 접지전극{꺾인 선 그래프(115)}과 바늘 형상의 전극 팁이 접합되어 중량이 늘어난 접지전극{꺾인 선 그래프(111)}은, 그 수명에 거의 차이를 볼 수 없었다. 그런데 접지전극의 합성 열전도율 X가 15W/(m·K)로 낮은 경우, 평판 형상의 전극 팁이 접합된 접지전극{꺾인 선 그래프(116)}과 비교하여, 바늘 형상의 전극 팁이 접합되어 중량이 늘어난 접지전극{꺾인 선 그래프(112)}에서는 수명의 저하의 정도가 컸다. 또한, 꺾인 선 그래프(115)와 꺾인 선 그래프(116)과의 비교에 의하면, 평판 형상의 전극 팁이 접합된 접지전극에서는, 굴곡부에 있어서의 곡률 반지름 R이 1.5mm보다 크면, 합성 열전도율 X가 저하하여 열 방출이 양호하지 않은 경우에도, 접지전극의 수명 저하에의 영향은 거의 없다. 마찬가지로, 꺾인 선 그래프(111)와 꺾인 선 그래프(112)와의 비교에 의하면, 바늘 형상의 전극 팁이 접합된 접지전극에 있어서도, 굴곡부에 있어서의 곡률 반지름 R이 2.3mm보다 크면, 합성 열전도율 X가 저하해도 접지전극의 수명 저하에의 영향은 거의 없다. 그리고, 굴곡부에 있어서의 곡률 반지름 R이 작아질수록, 굴곡부에서의 내부 응력의 높아짐이 커지기 때문에, 열 부하에 의한 금속의 피로강도가 저하하면 절손 등이 발생하기 쉬워져, 접지전극으로서의 수명이 저하한다. 따라서, 접지전극의 합성 열전도율 X를 높여 열 방출 성능을 향상시킴으로써 얻을 수 있는 접지전극의 수명을 늘리는 효과는, 중량에 의한 부하가 평판 형상의 것보다 큰 바늘 형상의 전극 팁이 접합된 접지전극이고, 굴곡부에 있어서의 곡률 반지름 R이 2.3mm 이하인 것에 있어서, 보다 크게 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다.

한편, 굴곡부에 있어서의 곡률 반지름 R이 1.0mm 미만이 되면, 접지전극의 합성 열전도율 X가 양호한 45W/(m·K)의 것이라도, 수명은, 약 90000사이클을 밑돌아 버렸다. 이것은, 구부러짐의 증대에 수반하여 굴곡부에 있어서 내부 응력이 높아지는 것에 기인하는 수명의 저하가, 접지전극의 합성 열전도율 X를 높여 열 방출 성능을 향상시키는 것에 의해서 얻을 수 있는 수명연장 효과보다, 크기 때문이다.

(실시예 2)

실시예 2에서는, 접지전극(30)의 합성 열전도율 X와 접지전극(30)의 수명과의 관계에 대해서 확인하기 위해, 평가 시험을 행하였다. 이 평가 시험에서는, 실시예 1과 같이 제 1 부재, 제 2 부재, 제 3 부재로 이루어지는 3층 구조를 이루는 접지전극을 제작하는데 있어서, 일반식(1)에 따라서 구할 수 있는 합성 열전도율 X를 15∼110{W/(m·K)}의 범위에서 변화시켜, 그 때에 합성 열전도율 X가 동일한 것을 3개씩 준비하였다. 각 접지전극에는, 단면적 S가 0.38mm³이고 돌출길이 H가 0.8mm의 바늘 형상의 전극 팁을 각각 접합하여, 스파크 간극(G)을 형성할 때에 동일한 합성 열전도율 X의 것마다, 내면의 곡률 반지름 R이 1.0, 1.5, 2.0(mm)의 3종류의 것이 형성되도록 굴곡부를 형성하여, 스파크 플러그의 샘플을 완성시켰다. 그리고 각 샘플에 대해, 실시예 1과 같은 무부하 레이싱 패턴에 의한 열 부하 및 진동 부하를 가하는 평가 시험을 행하여, 각 테스트 샘플에 대해 접지전극에 절손이 발생하기까지 걸린 사이클 수(접지전극의 수명)를 조사하였다. 또한, 합성 열전도율 X가 15W/(m·K)의 접지전극을 이용한 샘플을 기준 샘플로 하여 그 사이클 수를 0으로 하고, 기준 샘플의 사이클 수에 대해 각 샘플의 사이클 수의 증가분을 구하여, 곡률 반지름 R이 다른 계열마다 정리하였다. 시험 결과를 도 4에 도시한다.

도 4에 도시하는 바와 같이, 굴곡부의 곡률 반지름 R이 어느 계열의 접지전극{꺾인 선 그래프(121,122,123)}에 있어서도, 접지전극의 합성 열전도율 X를 크게 하여 열 방출 성능을 높이는 것에 따라, 접지전극의 수명을 늘리는 효과를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 굴곡부의 곡률 반지름 R이 작은 것일수록, 접지전극의 수명을 늘리는 효과가 현저하게 되는 것을 확인할 수 있다. 이것은, 실시예 1보다 꺾인 선 그래프(111)와 꺾인 선 그래프(112)(도 3 참조)와의 비교 결과로부터도 말할 수 있어, 굴곡부의 곡률 반지름 R이 작은 것일수록 접지전극의 수명 저하의 정도가 크고, 즉, 본 발명을 적용하는 것에 의한 내절손성 향상의 효과가 높다.

또한, 굴곡부의 곡률 반지름 R이 1.0mm의 것{꺾인 선 그래프(121)}이나 1.5mm의 것{꺾인 선 그래프(122)}에 주목하면, 합성 열전도율 X가 커짐에 따라서 접지전극의 수명을 늘리는 효과가 높아지지만, 그 효과는 35W/(m·K)에 있어서 비약적으로 높아지는 것을 알 수 있다. 따라서, 접지전극의 합성 열전도율 X는 35W/(m·K) 이상으로 하는 것이, 접지전극의 내절손성의 향상을 도모하는데 바람직하다. 한편, 굴곡부의 곡률 반지름 R이 어느 계열의 접지전극에 있어서도, 합성 열전도율 X가 45W/(m·K) 이상이 되면, 접지전극의 수명을 늘리는 효과는 포화 상태가 된다.

(실시예 3)

실시예 3에서는, 주체 금구(50)의 선단면(57)으로부터의 접지전극(30)의 돌출길이 L과 접지전극(30)의 수명과의 관계에 대해 확인하기 위한 평가 시험을 행하였다. 이 평가 시험에서는, 실시예 1과 같이 제 1 부재, 제 2 부재, 제 3 부재로 이루어지는 3층 구조를 이루는 접지전극을 제작하는데 있어서, 일반식(1)에 따라서 구할 수 있는 합성 열전도율 X가 15W/(m·K)인 것과 45W/(m·K)인 것을 준비하였다. 그리고 굴곡부에 있어서의 곡률 반지름 R을 1.5mm로 하여 접어 구부렸을 때의 돌출길이 L(도 2 참조)을 4.0∼10.0(mm)의 범위에서 변화시키기 위해, 각 돌출길이 L에 상응시킨 전체 길이를 갖도록 접지전극을 절단하였다. 각 접지전극에는 단면적 S가 0.38mm³이고 돌출길이 H가 0.8mm의 바늘 형상의 전극 팁을 각각 접합하여, 굴곡부를 곡률 반지름 R 1.5mm로 접어 구부리고, 상기와 같이 돌출길이 L을 4.0∼10.0(mm)의 범위에서 변화시킨 복수의 스파크 플러그의 샘플을 제작하였다. 한편, 각 샘플의 스파크 간극(G)의 크기는 어느 경우나 일정하게 하고, 접지전극의 돌출길이 L에 맞춘 스파크 간극(G)의 위치의 조정은, 주체 금구의 선단면으로부터의 중심 전극이나 절연 애자의 돌출길이를 조정하는 것에 의해 행하였다. 그리고 각 샘플에 대해, 실시예 1과 같은 무부하 레이싱 패턴에 의한 열 부하 및 진동 부하를 가하는 평가 시험을 행하여, 각 테스트 샘플에 대해 접지전극에 절손이 발생하기까지 걸린 사이클 수(접지전극의 수명)를 조사하였다. 시험 결과를 도 5에 나타낸다.

도 5에 도시하는 바와 같이, 접지전극의 합성 열전도율 X가 45W/(m·K)의 경 우, 돌출길이 L이 9.5mm를 넘으면 급격하게 접지전극의 수명이 짧아지지만, 9.5mm 이하의 경우는 거의 보합 상태이며, 대폭적인 수명의 저하는 볼 수 없다{꺾인 선 그래프(131)}. 합성 열전도율 X가 높으면, 열 방출 경로가 길어져도 충분히 열 방출을 행할 수 있어, 금속의 피로강도의 저하를 억제하여 내절손성을 높일 수 있다. 한편, 접지전극의 합성 열전도율 X가 15W/(m·K)의 경우, 돌출길이 L가 4.5mm가 되면 접지전극의 수명이 약 20000사이클 저하하고, 6.0mm를 넘으면 수명이 큰폭으로 더 저하하는 경향을 볼 수 있었다{꺾인 선 그래프(132)}. 즉, 접지전극의 돌출길이 L이 9.5mm 이하인 경우, 합성 열전도율 X를 높여 열 방출 성능을 향상시킴으로써, 접지전극의 수명을 늘리는 효과를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있다. 그리고 이 효과는 접지전극의 돌출길이 L이 4.5mm 이상인 경우에 얻을 수 있고, 특히 6.5mm 이상이면 현저한 효과를 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다.

(실시예 4)

실시예 4에서는, 접지전극(30)의 합성 인장강도 Y와 접지전극(30)의 수명과의 관계에 대해 확인하기 위한 평가 시험을 행하였다. 이 평가 시험에서는, 실시예 1과 같이 제 1 부재, 제 2 부재, 제 3 부재로 이루어지는 3층 구조를 이루고, 일반식(1)에 따라서 구한 합성 열전도율 X가 45W/(m·K)가 되도록 조정하면서, 일반식(2)에 따라서 구한 합성 인장강도 Y를 53∼61(kgf/mm²)의 범위에서 변화시킨 접지전극을 복수 준비하였다. 보다 구체적으로는, 제 1 부재, 제 2 부재, 제 3 부재로서 각각의 인장강도가 40, 38, 70(kgf/mm²)인 것을 이용하여, 체적비를 조정함으로 써, 상기한 목적의 합성 열전도율 X 및 합성 인장강도 Y를 얻었다. 그리고 각 접지전극에는 단면적 S가 0.38mm³(φ0.7mm)이고 돌출길이 H가 0.8mm인 바늘 형상의 전극 팁을 접합하여, 이러한 접지전극을 이용한 스파크 플러그의 샘플을 조립하였다. 이 때, 접지전극의 내면의 곡률 반지름 R이 1.5mm가 되도록 굴곡부의 굽힘을 행하였다. 그리고 각 샘플에 대해, 실시예 1과 같은 무부하 레이싱 패턴에 의한 열 부하 및 진동 부하를 주는 평가 시험을 행하여, 각 테스트 샘플에 대해 접지전극에 절손이 발생하기까지 걸린 사이클 수(접지전극의 수명)를 조사하였다. 또한, 합성 인장강도 Y가 53kgf/mm²의 접지전극을 이용한 샘플을 기준 샘플로서 그 사이클 수를 0으로 하여, 기준 샘플의 사이클 수에 대해 각 샘플의 사이클 수의 증가분을 구하였다. 시험 결과를 도 6에 도시한다.

도 6의 꺾인 선 그래프(141)에 도시하는 바와 같이, 접지전극의 합성 인장강도 Y가 55kgf/mm² 이하인 경우, 합성 열전도율 X가 45W/(m·K)이며 열 방출 성능이 높은 상태라도, 접지전극의 수명을 늘리는 효과를 얻을 수 없었다. 즉, 접지전극 자신의 강성이 충분하지 않다고 말할 수 있다. 그리고 접지전극의 합성 인장강도 Y가 55kgf/mm²보다 커지면 접지전극의 수명을 늘리는 효과가 높아지고, 59kgf/mm² 이상이 되면, 접지전극의 수명을 늘리는 효과가 포화 상태가 되는 것을 확인할 수 있었다.

(실시예 5)

실시예 5에서는, 접지전극 전체의 체적에 대한 양열 전도 부재의 체적의 비율이, 합성 열전도율 X나 합성 인장강도 Y에게 주는 영향에 대해 확인하기 위한 시뮬레이션에 의한 평가를 행하였다. 이 평가에서는, 실시예 1과 같이 제 1 부재, 제 2 부재, 제 3 부재로 이루어지는 3층 구조를 이루고, 각각의 체적, v1, v2, v3(mm³)를 적당히 다르게 한 조합을 설정하여, 접지전극 전체의 체적 V (mm³)로서는 35.1mm³가 되도록 조정한, 17종류의 접지전극의 샘플을 상정하였다. 한편, 제 1 부재에는, 20℃에 있어서의 열전도율 x1이 90.5W/(m·K)이고 20℃에 있어서의 인장강도 y1이 40.1kgf/mm²의 재료를 이용하고, 제 2 부재에는, 20℃에 있어서의 열전도율 x2가 398W/(m·K)이고 20℃에 있어서의 인장강도 y2가 38kgf/mm²의 재료를 이용하였다. 또한, 제 3 부재에는, 20℃에 있어서의 열전도율 x3이 11.1W/(m·K)이고 20℃에 있어서의 인장강도 y3이 78.7kgf/mm²의 재료를 이용하였다. 그리고, 제 1∼제 3 부재 중, 20℃에 있어서의 열전도율이 50W/(m·K) 이상의 제 1 부재 및 제 2 부재를 양열 전도율 부재라고 인정하고, 접지전극 전체의 체적 V에 대한 양열 전도 부재의 체적(v1+v2)의 비율을, 각 샘플에 대해 구한바, 각 샘플의 체적 비율 (v1+v2)/V는, 5.4∼64.4%의 범위에서 적당히 달랐다. 따라서, 이들 17 종류의 샘플에 대해, 샘플 번호 1∼17을 붙였다(일부를 제외하고 체적 비율이 작은 순으로 따른다.). 또한, 각 샘플에 대해 일반식(1), (2)를 적용하여, 합성 열전도율 X 및 합성 인장강도 Y를 산출하였다. 이 평가의 결과를 표 1에 나타낸다.

[표 1]

표 1에 나타내는 바와 같이, 접지전극 전체의 체적 V에 대한 양열 전도 부재의 체적(v1+v2)의 비율이 작아짐에 따라서, 합성 열전도율 X도 작아졌다. 구체적으로, 체적 비율이 12.5% 미만의 샘플 1∼4는, 합성 열전도율 X가 35W/(m·K) 미만이 되었다. 한편, 합성 인장강도 Y에 대해서는, 접지전극 전체의 체적 V에 대한 양열 전도 부재의 체적(v1+v2)의 비율이 작아짐에 따라서 커졌다. 구체적으로, 체적 비 율이 57.5%보다 큰 샘플 16,17은, 합성 인장강도 Y가 55kgf/mm² 이하가 되었다. 이 시뮬레이션의 결과에 의하면, 합성 열전도율 X에서 35W/(m·K) 이상을 확보하기 위해서는, 체적 비율로서 12.5% 이상을 얻을 필요가 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 55kgf/mm²보다 큰 합성 인장강도 Y를 확보하기 위해서는, 체적 비율을, 57.5% 이하로 억제할 필요가 있는 것을 알 수 있었다.

본 발명을 구체적인 실시예에 기초하여 설명해 왔지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니라, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변형·변경을 포함하는 것이다.

본 실시형태에서는, 접지전극(30)을 제 1 부재(35), 제 2 부재(36) 및 제 3 부재(37)로 이루어지는 3층 구조로 했지만, 제 1 부재(35) 및 제 2 부재(36)로 이루어지는 2층 구조로 해도 좋고 , 혹은 제 4 부재를 더한 4층 구조, 나아가서는 제 5 부재를 더한 5층 구조로 해도 좋다. 그리고 어느 경우에도, 일반식(1)에 의해서 구해지는 합성 열전도율 X가 35W/(m·K) 이상이 되고, 일반식(2)에 의해서 구해지는 합성 인장강도 Y가 55kgf/mm²보다 커지도록, 각 부재의 배분을 설정하면 좋다.

또한, 접지전극(30)의 선단부(31)에 접합하는 전극 팁(95)에는, 복수의 금속재료를 접합하여 형성한 것을 이용해도 좋다. 예를 들면, 귀금속으로 이루어지는 귀금속 부재와, 귀금속 합금{바람직하게는, 귀금속과, 접지전극의 가장 외측의 층(본 실시형태에서는 제 3 부재(37))을 구성하는 재료와의 합금}으로 이루어지는 중간 부재를 2단으로 겹쳐서 접합한 전극 팁을 제작하여, 접지전극(30)의 내면(33)에 접합해도 좋다. 이 경우, 스파크 간극(G)측에 내스파크 소모성이 높은 귀금속 부재를 배치하고, 접지전극(30)측에 중간 부재를 배치하면 좋다. 이러한 전극 팁을 이용하면, 귀금속 부재가 수열한 열을, 중간 부재를 통하여 신속하게 접지전극(30)측으로 방출할 수 있어, 축열하기 어렵다. 또한, 귀금속 부재와 접지전극과의 열팽창률의 차이를 중간 부재에서 완화할 수 있으므로, 각 접합면에 있어서의 내부 응력이 저감되어, 접지전극과 전극 팁과의 접합 강도를 높일 수 있어, 전극 팁의 탈락을 방지할 수 있다. 이것은, 열 방출 성능을 높인 것에 기인하여 전극 팁과의 접합성이 저하할 우려가 있는 본 실시형태의 접지전극(30)에 대해, 유효하다. 그리고, 본 실시형태의 접지전극(30)이면, 이러한 전극 팁을 내면(33)에 접합하여 이용해도, 충분히, 전극 팁의 중량에 견딜 수 있고, 또한, 전극 팁으로부터의 열 방출을 확실히 행할 수 있어 바람직하다.

Claims

중심 전극과,

축선방향을 따라서 연장되는 축 구멍을 갖고, 그 축 구멍의 내부에서 상기 중심 전극을 유지하는 절연 애자와,

상기 절연 애자의 지름 방향에 있어서의 주위를 둘레방향으로 둘러싸고 유지하는 주체 금구(metal shell)와,

일단부가 상기 주체 금구의 선단면에 접합되고, 타단부가 상기 중심 전극의 선단부로 향하도록, 상기 일단부와 상기 타단부와의 사이에 자신을 굴곡시킨 굴곡부를 갖는 접지전극과,

상기 접지전극의 상기 타단부에 있어서 상기 중심 전극의 상기 선단부와 대향하는 위치에 접합되고, 상기 타단부로부터의 돌출길이가 0.5mm 이상의 크기를 갖고, 단면적이 0.20∼1.13mm²인 전극 팁을 구비하고,

상기 접지전극은, 상기 일단부측으로부터 상기 타단부측으로 향하여 연장되는 제 1 부재의 외면상에, 적어도 1개 이상의 제 i 부재(다만, i= 2, 3, 4, 5이다.)를 각각 층 형상으로 피복한 것으로서,

상기 굴곡부에 있어서 상기 중심 전극측을 향하는 일측면의 최소의 곡률 반지름이 2.3mm 이하임과 동시에,

상기 타단부의 부위 중, 상기 주체 금구의 상기 선단면으로부터 상기 축선방 향으로 가장 돌출한 부위가, 상기 선단면으로부터 돌출하는 길이가 4.5mm 이상이고,

또한, 상기 주체 금구에 형성되는 부착나사의 JIS규격에 준거한 호칭지름 (nominal diameter)이 M12 이하인 스파크 플러그로서,

식(1)에 의해서 표시되는 상기 접지전극의 20℃에 있어서의 합성 열전도율 X가 35W/(m·K) 이상인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.

[수 4]

…(1)

다만, n은, 상기 접지전극을 구성하는 부재의 최대수를 나타내고, 2 이상 5 이하의 정수이다.
제 1 항에 있어서, 식(2)에 의해서 표시되는 상기 접지전극의 20℃에 있어서의 합성 인장강도 Y가 55kgf/mm²보다 큰 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.

[수 5]

…(2)

다만, n은, 상기 접지전극을 구성하는 부재의 최대수를 나타내고, 2 이상 5 이하의 정수이다.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 접지전극의 상기 굴곡부에 있어서의 상기 일측면의 최소의 곡률 반지름이, 1.0mm 이상인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 접지전극의 전체의 체적에 대해, 상기 접지전극을 구성하는 복수의 층 중, 20℃에 있어서의 열전도율이 50W/(m·K) 이상의 양열(良熱) 전도 부재(high thermal conductivity material) 에 의해 구성되는 층의 체적이 차지하는 비율이, 12.5% 이상 57.5% 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 접지전극의 상기 일단부로부터 상기 타단부로 향하는 방향과 직교하는 단면의 면적이, 1.5mm² 이상 5.0mm² 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 접지전극은, 상기 접지전극을 구성하는 복수의 층 중, 20℃에 있어서의 열전도율이 가장 큰 층이, 20℃에 있어서의 열전도율이 50W/(m·K) 미만의 부재에 의해 구성되는 층에 의해서 피복되어 이루어지고, 상기 접지전극의 상기 일단부로부터 상기 타단부로 향하는 방 향과 직교하는 단면의 중앙을 지나는 제 1 중앙선을 따라서, 상기 접지전극 자신이 연장되는 길이를 A로 하고, 상기 제 1 중앙선을 포함한 평면에, 상기 전극 팁의 상기 타단부로부터의 돌출 방향과 직교하는 단면의 중앙을 지나는 제 2 중앙선을 투영했을 때에, 상기 제 1 중앙선을 따라서, 상기 제 1 중앙선과 상기 제 2 중앙선과의 교점으로부터 상기 일단부의 끝단까지의 길이를 B로 하고, 상기 20℃에 있어서의 열전도율이 가장 큰 층이, 상기 일단부의 끝단으로부터 상기 타단부로 향하여 상기 제 1 중앙선을 따라서 연장되는 길이를 C로 했을 때에, 5.5mm≤C<B≤A≤11.5mm를 만족하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.