KR20150097702A - 스파크 플러그 - Google Patents

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KR20150097702A
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니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
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Abstract

이 발명은 접지전극 및 중심전극의 적어도 일방에 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그에 있어서, 내소모성 및 내박리성을 가지는 귀금속 팁을 구비함으로써, 내구성이 우수한 스파크 플러그를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이 발명의 스파크 플러그는 중심전극과, 접지전극과, 상기 중심전극 및 상기 접지전극의 적어도 일방(이하, 전극이라 부른다)에 레이저 용접되어 타방의 전극과의 사이에 간극을 형성하는 간극형성면을 가지는 귀금속 팁을 구비하는 스파크 플러그로서, 상기 귀금속 팁은 상기 레이저 용접에 의해 형성된 용융부를 통하여 상기 전극에 접합되어 이루어지며, 상기 용융부는 상기 간극형성면, 및/또는 상기 귀금속 팁이 접합된 제 1 전극 표면과는 반대측의 제 2 전극 표면에 용융부가 노출되어 이루어지는 제 1 용융부와, 상기 귀금속 팁의 측 둘레면에 용융부가 노출되어 이루어지는 제 2 용융부를 가진다.

Description

스파크 플러그{SPARK PLUG}
이 발명은 스파크 플러그에 관한 것으로, 특히, 접지전극 및 중심전극의 적어도 일방에 귀금속부가 설치된 스파크 플러그에 관한 것이다.
자동차 엔진 등의 내연기관의 점화용으로 사용되는 스파크 플러그는 일반적으로, 통 형상의 금속 쉘과, 이 금속 쉘의 내공(內孔)에 배치되는 통 형상의 절연체와, 이 절연체의 선단측 내공에 배치되는 중심전극과, 일단이 금속 쉘의 선단측에 접합되고, 타단이 중심전극과의 사이에 불꽃 방전 간극을 가지는 접지전극을 구비한다. 그리고 스파크 플러그는 내연기관의 연소실 내에서 중심전극의 선단부와 접지전극의 선단부의 사이에 형성되는 불꽃 방전 간극에 불꽃 방전되어 연소실 내에 충전된 연료를 연소시킨다.
그런데 종래, 스파크 플러그의 내구성을 향상시킬 목적으로, 접지전극 및 중심전극이 대향하는 각각의 방전면에, 귀금속 합금으로 이루어지는 귀금속 팁을 설치하는 것이 실행되어 왔다. 그러나 근래, 연소실 내의 고압축화나 희박 연소가 주류가 되어, 스파크 플러그의 사용환경은 점점 엄격하게 되어 오고 있다. 이와 같은 엄격한 환경하에 있어서도, 스파크 플러그의 내구성을 유지할 수 있도록 가일층의 개발이 요망되고 있다.
예를 들면, 특허문헌 1에는 불꽃방전 전극재료로서 고융점의 Ir(이리듐) 합금을 이용해도, 팁의 불꽃 소모성이 불충분하게 된다고 하는 문제에 대해서, Ir 합금 팁의 방열성을 향상시키는 것을 과제로 하고(특허문헌 1의 단락번호 0003∼5 참조.), 그 해결수단으로서 「ㆍㆍ상기 Ir 합금 팁은 상기 방전면에 일부를 노출시킨 상태에서 상기 접지전극의 단부에 매설되어 있으며, 상기 방전면을 정면으로 마주 대하여 보았을 때, 상기 Ir 합금 팁의 측면 단부(47)는 상기 방전면의 외주 단부와 일치하고 있던지, 혹은 상기 방전면의 외주 단부보다도 내측에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.」(특허문헌 1의 청구항 1 참조.)가 기재되어 있다.
특허문헌 1: 일본국 특개2002-93547호 공보
근래의 스파크 플러그의 엄격한 사용환경하에 있어서도, 귀금속 팁의 내소모 성을 확보하여 스파크 플러그의 장수명화를 도모하는 방법으로서 귀금속 팁의 직경을 크게 하는 것을 생각할 수 있다. 단, 귀금속 팁의 직경을 크게 하여 통상대로 레이저 용접에 의해 귀금속 팁을 전극에 용접한 것은 귀금속 팁이 전극으로부터 박리하기 쉽게 된다. 따라서, 귀금속 팁의 직경을 크게 할 경우에는, 조사하는 레이저의 에너지를 크게 함으로써, 귀금속 팁의 내박리성을 확보하지 않으면 안 된다. 그러나 조사하는 레이저의 에너지를 크게 하면, 귀금속 팁과 전극의 용융부의 노출면적이 커지는 것에 의해, 귀금속 팁의 표면적이 작아진다, 즉 방전면에서 용융부의 선단까지의 귀금속 팁의 높이가 작아지고, 귀금속 팁이 소모할 수 있는 부위가 감소하므로, 귀금속 팁의 직경을 크게 하는 것에 의한 스파크 플러그의 장수명화의 효과가 저감된다.
이 발명은 접지전극 및 중심전극(이하에 있어서, 단지 전극이라 부르는 일도 있다)의 적어도 일방에 귀금속 팁을 구비한 스파크 플러그에 있어서, 내소모성 및 내박리성을 가지는 귀금속 팁을 구비함으로써, 내구성이 우수한 스파크 플러그를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단은,
(1) 중심전극과, 접지전극과, 상기 중심전극 및 상기 접지전극의 적어도 일방(이하, 전극이라 부른다)에 레이저 용접되어 타방의 전극과의 사이에 간극을 형성하는 간극형성면을 가지는 귀금속 팁을 구비하는 스파크 플러그로서,
상기 귀금속 팁은 상기 레이저 용접에 의해 형성된 용융부를 통하여 상기 전극에 접합되어 이루어지며,
상기 용융부는 상기 간극형성면, 및/또는 상기 귀금속 팁이 접합된 제 1 전극 표면과는 반대측의 제 2 전극 표면에 용융부가 노출되어 이루어지는 제 1 용융부와, 상기 귀금속 팁의 측 둘레면에 용융부가 노출되어 이루어지는 제 2 용융부를 가지는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그이다.
상기 (1)의 스파크 플러그의 바람직한 형태는 이하와 같다.
(2) 상기 (1)의 스파크 플러그에 있어서, 상기 귀금속 팁과 상기 귀금속 팁이 접합된 전극은 양자가 대향하는 대향면을 각각 가진다.
(3) 상기 (2)의 스파크 플러그에 있어서, 상기 제 2 용융부의 상기 간극에 가장 가까운 점을 포함하는 상기 귀금속 팁의 직경 방향의 가상 평면에 있어서의 상기 귀금속 팁의 측 둘레면에 둘러싸인 제 1 영역의 면적에 대해서,
상기 제 1 영역을 상기 제 1 전극 표면에 투영한 제 2 영역에 있어서의 상기 용융부가 차지하는 면적 비율이 적어도 60％이다.
(4) 상기 (3)의 스파크 플러그에 있어서, 상기 귀금속 팁의 상기 간극형성면과는 반대측의 전체면은 상기 귀금속 팁이 접합된 전극과 상기 용융부를 통하여 접합되어 이루어진다.
(5) 상기 (1)∼(4)의 어느 하나에 기재된 스파크 플러그에 있어서, 상기 귀금속 팁은 상기 귀금속 팁이 접합된 전극의 평탄면에 얹혀져 접합되어 이루어지며, 또는, 상기 전극의 표면에 형성된 오목부에 상기 귀금속 팁의 일부가 매설되어 접합되어 이루어지고, 상기 귀금속 팁의 상기 오목부에 매설되어 있는 부위의 축선 방향 길이가 0.15㎜ 이하이다.
이 발명의 스파크 플러그는 귀금속 팁이 레이저 용접에 의해 형성된 용융부를 통하여 전극에 접합되어 이루어지며, 상기 용융부는 상기 간극형성면, 및/또는 상기 귀금속 팁이 접합된 제 1 전극 표면과는 반대측의 제 2 전극 표면에 용융부가 노출되어 이루어지는 상기 제 1 용융부와, 상기 귀금속 팁의 측 둘레면에 용융부가 노출되어 이루어지는 상기 제 2 용융부를 가지므로, 귀금속 팁보다 내소모성이 뒤떨어지는 제 2 용융부의 노출되는 면적을 최소한으로 억제하는 것에 의해 내소모성을 향상시키면서, 제 1 용융부를 가지는 것에 의해 내박리성을 확보할 수 있다.
또, 스파크 플러그를 엄격한 환경하에서 사용할 경우에, 귀금속 팁의 내소모성을 확보하기 위해, 예를 들면, 귀금속 팁의 직경을 크게 하는 것을 생각할 수 있다. 그와 같은 경우라도, 제 1 용융부를 가짐으로써 귀금속 팁이 박리하기 어려워지므로, 상기 제 2 용융부의 노출 면적을 크게 하는 일없이 내박리성을 확보할 수 있다. 또, 귀금속 팁의 직경을 크게 한 경우에 내박리성을 확보하기 위해 제 2 용융부의 노출 면적을 그만큼 증대시킬 필요가 없으므로, 귀금속 팁의 표면적 즉 상기 간극형성면에서 제 2 용융부에 있어서의 간극에 가장 가까운 점까지의 거리를 확보할 수 있다. 귀금속 팁은 방전면인 간극형성면에서 깊이 방향으로 소모되어 가므로, 상기 거리가 길수록 귀금속 팁의 수명이 길어진다. 따라서, 이 발명의 스파크 플러그에 따르면, 귀금속 팁의 내박리성을 확보하면서, 귀금속 팁의 직경을 크게 하여 체적을 증대시킨 만큼 내소모성을 향상시킬 수 있다.
이 발명의 스파크 플러그에 있어서의, 상기 귀금속 팁과 상기 귀금속 팁이 접합된 전극은 양자가 대향하는 대향면을 각각 가진다. 즉, 레이저 용접에 의해 접합된 귀금속 팁과 전극이 서로 용융되지 않고 직접 접촉하고 있는 부위가 존재하고 있다. 귀금속 팁과 전극이 용융함으로써 형성되는 용융부보다 전극의 쪽이 열전도율이 양호하므로, 귀금속 팁과 전극이 용융부를 통하지 않고 양자가 대향하는 대향면을 가지고 있으면, 불꽃 방전에 의해 발생한 열이나 고온의 연소실 내로부터 귀금속 팁이 수열(受熱)한 열을, 이 대향면을 통하여 방출하기 쉬워진다(이하에 있어서, 열전달이라 부르는 일이 있다.). 따라서, 상기 대향면을 가지는 스파크 플러그는 더욱 한층 내소모성이 우수하다.
이 발명의 스파크 플러그는 상기 제 1 영역의 면적에 대한 상기 제 2 영역에 있어서의 상기 용융부가 차지하는 면적 비율이 적어도 60％이다, 즉 귀금속 팁과 전극이 상기 면적 비율로 용융부를 통하여 접합되어 있으므로, 귀금속 팁의 내박리성을 충분히 확보할 수 있다.
이 발명의 스파크 플러그는 상기 귀금속 팁의 상기 간극형성면과는 반대측의 전체면이, 상기 귀금속 팁이 접합되어 있는 전극과 상기 용융부를 통하여 접합되어 이루어진다. 즉, 귀금속 팁과 전극이 직접 접촉하고 있는 대향면이 존재하지 않고, 모두 용융부를 통하여 접합되어 이루어진다. 따라서, 상기 대향면을 기점으로 하여 귀금속 팁이 박리하는 것을 방지할 수 있어 귀금속 팁의 내박리성을 더욱 한층 향상시킬 수 있다.
이 발명의 스파크 플러그는 상기 귀금속 팁이, 상기 귀금속 팁이 접합된 전극의 평탄면에 얹혀져 접합되어 이루어지며, 또는, 상기 전극의 표면에 형성된 오목부에 상기 귀금속 팁의 일부가 매설되어 접합되어 이루어지고, 상기 귀금속 팁의 상기 오목부에 매설되어 있는 부위의 축선 방향 길이가 0.15㎜ 이하이다. 상기 귀금속 팁이 상기 전극의 평탄면에 얹혀져 접합되어 있는 경우, 내소모성의 향상에 기여하지 않는 상기 전극의 오목부에 매설된 부위가 존재하지 않으므로, 접합된 귀금속 팁의 체적에 따른 내소모성의 효과가 얻어진다. 또, 상기 제 1 용융부와 상기 제 2 용융부에 의해 귀금속 팁을 전극에 접합되어 이루어지는 이 발명의 스파크 플러그는 귀금속 팁이 전극에 매설되는 일없이 접합되어 있는 경우, 내소모성에 관해서 더욱 한층 효과적이다. 상기 귀금속 팁의 일부가 상기 전극의 오목부에 매설되어 접합되어 있는 경우에는, 제 2 용융부가 귀금속 팁의 측 둘레면에 거의 노출되지 않도록 레이저 용접하여 형성할 수 있으므로, 귀금속 팁의 표면적을 최대한으로 확보할 수 있고, 그 결과, 귀금속 팁의 내소모성의 효과가 제 2 용융부에 의해 저감되는 것을 억제할 수 있다. 또, 상기 귀금속 팁의 일부가 상기 전극의 오목부에 매설되어 접합되어 있으면, 상기 전극의 평탄면에 얹혀져 접합되어 있는 경우에 비하여 내박리성이 향상된다. 한편, 상기 귀금속 팁의 상기 오목부에 매설되어 있는 부위의 축선 방향 길이가 커질수록 내소모성의 향상에 기여하지 않는 매설된 부위의 체적이 커지므로, 귀금속 팁의 체적에 따른 내소모성의 효과를 얻을 수 없게 된다. 따라서, 상기 귀금속 팁의 상기 오목부에 매설되어 있는 부위의 길이가 0.15㎜ 이하이면, 귀금속 팁과 전극의 내박리성을 향상시키면서 귀금속 팁에 의한 내소모성의 효과가 얻어진다.
도 1은 이 발명에 관련되는 스파크 플러그의 일실시예인 스파크 플러그의 일부 단면 전체 설명도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 스파크 플러그의 귀금속 팁의 접합부를 나타내는 주요부 단면 설명도이다. 도 2의 (a)는 귀금속 팁의 중심 축선을 포함하는 평면에서 절단했을 때의 절단면을 나타내는 주요부 단면 설명도이다. 도 2의 (b)는 접지전극의 제 1 전극 표면을 포함하는 면에서 절단했을 때의 절단면을 나타내는 주요부 일부 단면 설명도이다.
도 3은 이 발명에 관련되는 스파크 플러그의 다른 실시예인 스파크 플러그에 있어서의 제 1 전극 표면을 포함하는 면에서 절단했을 때의 절단면을 나타내는 주요부 일부 단면 설명도이다.
도 4는 이 발명에 관련되는 스파크 플러그의 또 다른 실시예인 스파크 플러그에 있어서의 제 1 전극 표면을 포함하는 면에서 절단했을 때의 절단면을 나타내는 주요부 일부 단면 설명도이다.
도 5는 이 발명에 관련되는 스파크 플러그의 또 다른 실시예인 스파크 플러그에 있어서의 귀금속 팁의 중심 축선을 포함하는 평면에서 절단했을 때의 절단면을 나타내는 주요부 단면 설명도이다.
이 발명에 관련되는 스파크 플러그는 중심전극과, 접지전극과, 상기 중심전극 및 상기 접지전극의 적어도 일방에 레이저 용접된 귀금속 팁을 구비한다. 이 발명에 관련되는 스파크 플러그는 이와 같은 구성을 가지는 스파크 플러그이면, 그 외의 구성은 특별히 한정되지 않고, 공지의 여러 가지의 구성을 채용할 수 있다.
이 발명에 관련되는 스파크 플러그의 일실시예인 스파크 플러그를 도 1 및 도 2에 나타낸다. 도 1은 이 발명에 관련되는 스파크 플러그의 일실시예인 스파크 플러그(1)의 일부 단면 전체 설명도이다. 도 2는 도 1에 나타내는 스파크 플러그의 귀금속 팁의 접합부를 나타내는 주요부 단면 설명도이다. 또한, 도 1 및 도 2에서는 지면 하방을 축선(O)의 선단 방향, 지면 상방을 축선(O)의 후단 방향으로서 설명한다.
이 스파크 플러그(1)는 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 축선(O) 방향으로 연재하는 축 구멍(2)을 가지는 대략 원통 형상의 절연체(3)와, 상기 축 구멍(2) 내의 선단측에 설치된 대략 봉 형상의 중심전극(4)과, 상기 축 구멍(2) 내의 후단측에 설치된 금속 단자(5)와, 상기 절연체(3)를 유지하는 대략 원통 형상의 금속 쉘(6)과, 일단이 금속 쉘(6)의 선단에 접합됨과 아울러 타단이 중심전극(4)의 선단면(30)에 대향하도록 배치된 접지전극(7)을 구비한다. 상기 접지전극(7)은 레이저 용접에 의해 형성된 용융부(8)를 통하여 접합되어 이루어지는 귀금속 팁(9)을 구비하고, 상기 귀금속 팁(9)은 상기 중심전극(4)의 선단면(30)과의 사이에 간극(G)을 통하여 배치되어 있다.
상기 절연체(3)는 축선(O) 방향으로 연재하는 축 구멍(2)을 가지며, 상기 축 구멍(2) 내의 선단측에 중심전극(4), 후단측에 금속 단자(5), 중심전극(4)과 금속 단자(5)의 사이에는 중심전극(4) 및 금속 단자(5)를 축 구멍(2) 내에 고정하기 위한 밀봉체(10, 11) 및 전파 잡음을 저감하기 위한 저항체(12)가 설치되어 있다. 절연체(3)의 축선(O) 방향의 중앙 부근에는 직경 방향으로 돌출된 플랜지부(13)가 형성되며, 상기 플랜지부(13)의 후단측에는 금속 단자(5)를 수용하고, 금속 단자(5)와 금속 쉘(6)을 절연하는 후단측 몸통부(14)가 형성되어 있다. 상기 플랜지부(13)의 선단측에는 저항체(12)를 수용하는 선단측 몸통부(15), 이 선단측 몸통부(15)의 선단측에는 중심전극(4)을 수용하고, 선단측 몸통부(15)보다 외경이 작은 다리부 (16)가 형성되어 있다. 절연체(3)는 절연체(3)에 있어서의 선단 방향의 단부가 금속 쉘(6)의 선단면으로부터 돌출된 상태에서 금속 쉘(6)에 고착되어 있다. 절연체 (3)는 기계적 강도, 열적 강도, 전기적 강도를 가지는 재료로 형성되는 것이 바람직하며, 이와 같은 재료로서 예를 들면, 알루미나를 주체로 하는 세라믹 소결체를 들 수 있다.
상기 금속 쉘(6)은 원통 형상을 가지고 있으며, 절연체(3)를 내장함으로써 절연체(3)를 유지하도록 형성되어 있다. 금속 쉘(6)에 있어서의 선단 방향의 외주면에는 나사부(17)가 형성되어 있으며, 이 나사부(17)를 이용하여 도시하지 않는 내연기관의 실린더 헤드에 스파크 플러그(1)가 장착된다. 나사부(17)의 후단측에는 차양 형상의 가스밀봉부(18)가 형성되고, 이 가스밀봉부(18)와 나사부(17)의 사이에는 개스킷(19)이 끼워 넣어져 있다. 가스밀봉부(18)의 후단측에는 스패너나 렌치 등의 공구를 걸어 맞추게 하기 위한 공구 걸어맞춤부(20), 공구 걸어맞춤부(20)의 후단측에는 크림핑부(21)가 형성되어 있다. 크림핑부(21) 및 공구 걸어맞춤부(20)의 내주면과 절연체(3)의 외주면의 사이에 형성되는 환 형상의 공간에는 링 형상의 패킹(22, 23) 및 활석(24)이 배치되고, 절연체(3)가 금속 쉘(6)에 대해서 고정되어 있다. 금속 쉘(6)은 도전성의 철강 재료, 예를 들면, 저탄소강에 의해 형성될 수 있다.
금속 단자(5)는 중심전극(4)과 접지전극(7)의 사이에서 불꽃 방전을 실행하기 위한 전압을 외부에서 중심전극(4)으로 인가하기 위한 단자이다. 금속 단자(5)는 축 구멍(2)의 내경보다도 외경이 크고, 축 구멍(2)으로부터 노출되어 축선(O) 방향의 후단측 단면에 그 플랜지형부의 일부가 맞닿는 노출부(25)와, 당해 노출부 (25)의 축선(O) 방향의 선단측에서 선단 방향으로 연재하여 축 구멍(2) 내에 수용되는 대략 원기둥 형상의 기둥형상부(26)를 가진다. 금속 단자(5)는 저탄소강 등의 금속 재료에 의해 형성될 수 있다.
상기 중심전극(4)은 대략 봉 형상이며, 외층(27)과 당해 외층(27)의 내부의 축심부에 동심으로 매립되도록 형성되어 이루어지는 코어부(28)에 의해 형성되어 있다. 중심전극(4)은 그 선단이 절연체(3)의 선단으로부터 돌출된 상태에서 절연체 (3)의 축 구멍(2) 내에 고정되어 있으며, 금속 쉘(6)에 대해서 절연 유지되어 있다. 코어부(28)는 외층(27)보다도 열전도율이 높은 재료에 의해 형성되고, 예를 들면, Cu(구리), Cu(구리) 합금, Ag(은), Ag(은) 합금, 순Ni(니켈) 등을 들 수 있다. 외층(27)은 중심전극에 사용되는 공지의 재료로 형성될 수 있으며, 인코넬 600 등의 Ni(니켈) 합금으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 접지전극(7)은, 예를 들면, 대략 각기둥체로 형성되어 이루어지며, 일단부가 금속 쉘(6)의 선단에 접합되고, 도중에 대략 ㄴ자 형상으로 굴곡되며, 타단 부가 중심전극(4)과의 사이에 간극을 설치하여 배치되어 있다. 접지전극(7)은 도 2에 나타내는 바와 같이, 중심전극(4)의 선단면(30)에 대향하는 제 1 전극 표면(31)을 가지며, 이 제 1 전극 표면(31)에 원기둥 형상의 귀금속 팁(9)이 레이저 용접에 의해 접합되어 있다. 접지전극(7)은 접지전극에 사용되는 공지의 재료로 형성될 수 있으며, 인코넬 600 등의 Ni(니켈) 합금으로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 이 실시형태의 접지전극(7)은 길이 방향에 직교하는 단면이 직사각형인 봉 형상체이지만, 접지전극(7)의 형상은 중심전극(4)과의 사이에 소정의 간극을 설치하여 배치되는 한 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 상기 단면이 타원형, 둥근 모서리 직사각형 및 계란형 등의 오벌(oval) 형상, 삼각형 및 오각형 등의 다각형, 원형, 반원형, 반달 형상 및 사다리꼴 등인 봉 형상체라도 좋다.
상기 귀금속 팁(9)은 상기 제 1 전극 표면(31)에 설치되고, 상기 선단면(30)과 상기 선단면(30)에 대향하는 간극형성면(32)의 사이에 간극(G)을 형성하도록 배치되어 있다. 이 실시형태의 스파크 플러그(1)에 있어서의 간극(G)은 상기 선단면 (30)과 상기 간극형성면(32) 사이의 최단 거리이며 이 간극(G)은 통상, 0.3∼1.5㎜로 설정된다. 이 실시형태의 스파크 플러그(1)에 있어서는 귀금속 팁(9)이 더욱 고온으로 되기 쉬운 접지전극(7)에만 설치되고, 중심전극(4)에는 설치되어 있지 않지만, 중심전극과 접지전극의 적어도 일방에 설치되어 있으면 좋으며, 예를 들면, 접지전극과 중심전극의 양방에 귀금속 팁이 설치되어 있어도 좋다. 이 경우에는 접지전극에 설치된 귀금속 팁과 중심전극에 설치된 귀금속 팁 사이의 최단 거리가 간극으로 되고, 이 간극에 있어서 불꽃 방전이 일어난다.
상기 귀금속 팁(9)은 귀금속 합금에 의해 형성되고, 귀금속 합금으로서는 Pt (백금) 또는 Ir(이리듐)을 주된 성분으로 하여, Pd(팔라듐), Rh(로듐), Ru(루테늄), W(텅스텐), Os(오스뮴), Ni(니켈), Pt(백금), 및 Ir(이리듐) 등에서 선택되는 적어도 1종의 부(副)성분 귀금속이 함유된 귀금속 합금을 들 수 있다. 상기 귀금속 팁(9)의 형상은 원기둥 형상이지만, 그 형상은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 원반 형상, 다각판 형상, 다각기둥 형상, 다각뿔 형상, 원뿔대 형상, 다각뿔대 형상, 이들을 조합하여 이루어지는 형상 등 적절한 형상을 채용할 수 있다. 복수 형상의 귀금속 팁을 조합하여 이루어지는 형상으로서는, 예를 들면 대형의 원반 위에 소형의 원반을 적층한 형상, 사각 판 위에 사각뿔대를 적층한 형상 등을 들 수 있다. 귀금속 팁(9)은 상기 제 1 전극 표면(31)에 레이저 용접에 의해 형성된 용융부 (8)를 통하여 접합되어 있다. 귀금속 팁(9)이 중심전극(4)과 접지전극(7) 사이의 적어도 일방의 방전면 즉 선단면(30) 및/또는 제 1 전극 표면(31)에 설치되어 있으면, 귀금속 합금에 의해 형성된 귀금속 팁(9)은 Ni(니켈) 합금 등에 의해 형성된, 중심전극(4)이나 접지전극(7)보다도 융점이 높으므로 소모되기 어렵고, 스파크 플러그의 내구성을 향상시킬 수 있다.
상기 용융부(8)는 상기 귀금속 팁(9)이 접합된 제 1 전극 표면(31)과는 반대측의 제 2 전극 표면(33)에 용융부(8)가 노출되어 이루어지는 제 1 용융부(34)와, 상기 귀금속 팁(9)의 측 둘레면(35)에 용융부(8)가 노출되어 이루어지는 제 2 용융부(36)를 가진다. 귀금속 팁(9)은 상기 제 1 용융부(34)와 상기 제 2 용융부(36)에 의해 접합되어 있으므로, 귀금속 팁(9)은 내소모성과 내박리성을 가진다. 환언하면, 이 스파크 플러그(1)는 상기 제 1 용융부(34)와 상기 제 2 용융부(36)에서 귀금속 팁(9)이 접지전극(7)에 접합되어 있으므로, 귀금속 팁(9)보다 내소모성이 뒤떨어지는 제 2 용융부(36)의 노출되는 면적을 최소한으로 억제하는 것에 의해 내소모성을 향상시키면서, 제 1 용융부(34)를 가지는 것에 의해 내박리성을 확보할 수 있다. 제 2 용융부(36)의 노출되는 면적을 최소한으로 억제할 수 있으면, 귀금속 팁(9)의 표면적, 즉, 간극형성면(32)에서 제 2 용융부(36)에 있어서의 간극(G)에 가장 가까운 점까지의 중심 축선(X) 방향의 거리(H)를 최대한으로 확보할 수 있다. 귀금속 팁은 간극형성면(32)에서 깊이 방향으로 소모되어 가므로, 상기 거리(H)가 길수록 귀금속 팁의 수명이 길어진다. 이와 같이, 제 2 용융부(36)의 노출되는 면적을 최소한으로 억제하는 것에 의해 내소모성을 향상시키고, 제 2 용융부(36) 뿐만 아니라 제 1 용융부(34)를 가짐으로써 내박리성을 확보할 수 있다.
또, 스파크 플러그를 엄격한 환경하에서 사용할 경우에, 귀금속 팁의 내소모성을 확보하기 위해, 예를 들면, 귀금속 팁의 직경을 크게 하는 것을 생각할 수 있다. 그와 같은 경우라도, 제 1 용융부(34)를 가짐으로써 귀금속 팁(9)이 박리하기 어려워지므로, 상기 제 2 용융부(36)의 노출 면적을 크게 하는 일없이 내박리성을 확보할 수 있다. 또, 귀금속 팁(9)의 직경을 크게 한 경우에 내박리성을 확보하기 위해 제 2 용융부(36)의 노출 면적을 크게 할 필요가 없으므로, 상기한 바와 같이, 귀금속 팁(9)의 표면적 즉 거리(H)를 확보할 수 있다. 따라서, 이 발명의 스파크 플러그에 따르면, 귀금속 팁(9)의 내박리성을 확보하면서, 귀금속 팁(9)의 직경을 크게 하여 체적을 증대시킨 만큼 내소모성을 향상시킬 수 있다.
상기 제 1 용융부(34)는 제 2 전극 표면(33)측에서 귀금속 팁(9)으로 향하여 레이저를 조사함으로써 형성될 수 있다. 도 2에 나타내는 제 1 용융부(34)는 제 2 전극 표면(33)측에서 귀금속 팁(9)으로 향하여 연재해서 접지전극(7)을 관통하고, 귀금속 팁(9)으로 잠식하도록 형성되어 있다. 제 1 용융부(34)는 이와 같은 형태에 특별히 한정되지 않고, 제 2 전극 표면(33)으로부터 접지전극(7) 및 귀금속 팁(9)을 관통하여 간극형성면(32)으로 노출되도록 형성되어 있어도 좋고, 귀금속 팁(9)측으로부터 레이저를 조사함으로써, 간극형성면(32)에 용융부(8)가 노출되어 간극형성면(32)측으로부터 귀금속 팁(9)을 관통하여 접지전극(7)에 잠식하도록 형성되어 있어도 좋다.
또, 도 2에 나타내는 제 1 용융부(34)는 귀금속 팁(9)의 중심 축선(X)을 통과하도록 하나만 설치되어 있지만, 제 1 용융부(34)의 수는 특별히 한정되지 않고, 제 1 용융부(34)의 직경 등에도 따르지만, 예를 들면, 1∼5개의 제 1 용융부가 설치되어 있어도 좋으며, 이들은 서로 평행하게 형성되어 서로 접촉하는 일없이 설치되어 있어도 좋고, 서로 평행 또는 교차하도록 형성되어 그들의 일부가 접촉 또는 교차하도록 형성되어 있어도 좋다. 제 1 용융부(34)의 크기는 조사하는 레이저의 에너지 크기, 스폿 직경 및 조사 시간 등에 의해 조정할 수 있으며, 복수의 제 1 용융부가 설치될 경우에는 각각이 동일한 정도의 크기라도 좋고, 각각이 다른 크기라도 좋다.
제 1 용융부(34)에 있어서의 귀금속 팁(9)과 접지전극(7)이 인접하는 부근은 양자가 용합(溶合)하여 귀금속 팁(9) 및 접지전극(7)을 형성하는 재료를 각각 함유하고, 귀금속 팁(9)으로부터 떨어져서 제 2 전극 표면(33)으로 향할수록 접지전극 (7)을 형성하는 재료의 함유율이 높아진다. 제 1 용융부(34)에 있어서의 제 2 전극 표면(33) 부근은 대부분이 접지전극(7)을 형성하는 재료에 의해 형성된다. 또, 예를 들면, 제 1 용융부가 간극형성면으로 노출되도록 형성되어 있는 경우에는, 제 1 용융부(34)에 있어서의 간극형성면 부근은 대부분이 귀금속 팁을 형성하는 재료에 의해 형성된다. 따라서, 제 1 용융부의 간극형성면으로의 노출 부분은 귀금속 팁과 동일한 정도의 내소모성을 가진다.
상기 제 2 용융부(36)는 귀금속 팁(9)을 접지전극(7)에 레이저 용접하기 전에 있어서의, 귀금속 팁(9)의 측 둘레면(35)과 제 1 전극 표면(31)이 교차하는 교선(M) 근방으로 향하여 제 1 전극 표면(31)에 대해서 비스듬한 방향으로부터 레이저를 조사함으로써 형성되는 복수의 용융부(An, 단, n은 1 이상의 정수이다.)로 이루어진다. 도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이, 귀금속 팁(9)의 중심 축선(X)을 통과하는 절단면에 있어서, 상기 용융부(An)는 레이저의 조사 방향(LB)에 장축을 가지는 대략 반타원 형상을 가진다. 또, 도 2의 (b)에 나타내는 바와 같이, 제 1 전극 표면(31)을 포함하는 평면에서 귀금속 팁(9)을 절단했을 때의 절단면에 있어서, 상기 용융부(An)는 각각 대략 원형 형상을 가진다. 이와 같은 용융부(An)의 크기는 조사하는 레이저의 에너지 크기 및 조사 시간 등에 의해 변화하고, 모든 용융부(An)가 동일한 정도의 크기라도 좋고, 각각이 다른 크기라도 좋다.
또, 도 2의 (b)에 나타내는 귀금속 팁(9)은 상기 제 2 용융부(36)가 상기 교선(M) 전체 둘레에 걸쳐서 형성되고, 인접하는 용융부(Ax -1)와 용융부(Ax, x는 1∼n까지의 정수이다.)가 서로 겹치도록 형성되어 있지만, 도 3에 나타내는 바와 같이, 상기 교선(M1) 위에 있어서 복수의 용융부(An1)가 형성되고, 예를 들면, 그들 중의 일부 또는 전부가 인접하는 용융부(Ax1-1)와 용융부(Ax1)가 서로 떨어져서 소정의 간격을 가지고 배치되어 있어도 좋다. 복수의 용융부(An1)가 배치될 경우에는, 예를 들면, 인접하는 2개의 용융부(Ax1-1)와 용융부(Ax1)의 간격이 일정해도 좋고, 달라도 좋다.
복수의 용융부(An)가 배치되어 있는 경우에는, 귀금속 팁을 상면에서 보아 중심 축선을 중심으로 하여 점대칭으로 용융부(An)가 배치되어 있는 것이 바람직하고, 예를 들면, 도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이, 귀금속 팁(9)의 중심 축선(X)을 통과하는 절단면에 있어서, 중심 축선(X)을 중심으로 하여 그 양측에 용융부가 적어도 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또, 상기 교선(M) 전체 둘레의 길이에 대해서, 상기 교선(M) 위에 형성된 용융부(An) 길이의 합계가 교선(M) 길이의 적어도 80％가 되도록 제 2 용융부(36)가 형성되어 있는 것이 바람직하고, 상기 교선(M) 전체 둘레에 걸쳐서 제 2 용융부 (36)가 형성되어 있는 것이 더욱 바람직하다. 이와 같이 제 2 용융부(36)가 형성되어 있으면, 귀금속 팁(9)과 접지전극(7)의 간극으로부터 산화가 발생하여 취성(脆性)파괴가 발생하는 것을 억제할 수 있으므로, 내박리성을 더욱 한층 향상시킬 수 있다.
상기 제 2 용융부(36)는 귀금속 팁(9)과 접지전극(7)이 용합함으로써 귀금속 팁(9) 및 접지전극(7)을 형성하는 재료를 함유한다. 따라서, 제 2 용융부(36)는 귀금속 팁(9)보다 내소모성이 뒤떨어진다. 상기한 바와 같이, 제 1 전극 표면(31)에 대해서 비스듬한 방향으로부터 레이저를 조사함으로써 제 2 용융부(36)를 형성하면, 내소모성이 우수한 귀금속 팁(9)의 표면적이 줄어들고, 그만큼이 제 2 용융부 (36)의 노출 면적에 대신한다. 그러면, 상기 노출 면적이 증가한 만큼 귀금속 팁 (9)을 접합하는 것에 의한 내소모성의 효과가 저감된다. 또, 상기한 바와 같이, 상기 거리(H)가 길수록 귀금속 팁의 수명이 길어지므로, 상기 노출 면적을 최소한으로 억제하는 것이 내소모성의 관점에서 바람직하다. 한편, 귀금속 팁(9)을 접합하는 것에 의한 내소모성의 효과를 거두기 위해 제 2 용융부(36)의 노출 면적을 작게 하면, 귀금속 팁(9)이 박리하기 쉬워진다. 그러나 이 발명에 있어서의 귀금속 팁 (9)은 제 2 용융부(36)와 제 1 용융부(34)를 통하여 접지전극(7)에 접합되어 이루어지므로, 제 2 용융부(36)의 노출 면적을 최소한으로 억제함으로써 내소모성을 향상시키면서, 제 2 용융부(36) 뿐만 아니라 제 1 용융부(34)를 가짐으로써 내박리성을 확보할 수 있다.
이 실시형태의 스파크 플러그(1)에 있어서는 제 1 용융부(34)와 제 2 용융부 (36)가 접촉하는 일없이 떨어져서 배치되어 있지만, 복수의 제 1 용융부(34)가 배치되는 것, 제 1 용융부(34)가 큰 체적을 가지는 것 및 제 2 용융부(36)가 귀금속 팁(9)의 내부 깊게까지 형성되는 것 등에 의해, 제 1 용융부(34)와 제 2 용융부 (36)가 접촉하고, 또는 겹치도록 형성되어 있어도 좋다.
귀금속 팁(9)과 접지전극(7)은 양자가 대향하는 제 1 대향면(37)과 제 2 대향면(38)을 각각 가진다(이하에 있어서, 이들을 총칭하여 대향면이라고 부르는 일도 있다.). 즉, 레이저 용접에 의해 접합된 귀금속 팁(9)과 접지전극(7)이 서로 용융부(8)를 통하지 않고 직접 접촉하고 있는 부위가 존재한다. Ni(니켈) 합금에 의해 형성되는 접지전극(7)이 귀금속 합금과 Ni(니켈) 합금을 함유하는 용융부(8)보다 열전도율이 양호하므로, 귀금속 팁(9)과 접지전극(7)이 용융부(8)를 통하지 않고 직접 접촉하는 대향면(37 및 38)을 가지고 있으면, 불꽃 방전에 의해 발생한 열이나 고온의 연소실 내로부터 귀금속 팁(9)이 수열(受熱)한 열을, 이 대향면(37 및 38)을 통하여 방출하기 쉬워진다. 따라서, 제 1 대향면(37) 및 제 2 대향면(38)을 가지는 스파크 플러그는 더욱 한층 내소모성이 우수하다. 이와 같은 대향면(37 및 38)을 가짐으로써 귀금속 팁(9)의 열전달을 양호하게 한 스파크 플러그는, 귀금속 팁의 내소모성이 높은 것이 특히 요망되는 환경에 있어서 매우 적합하게 사용된다.
도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이, 상기 제 2 용융부(36)의 상기 간극(G)에 가장 가까운 점(P)을 포함하며, 또한 상기 귀금속 팁(9)의 중심 축선(X)에 직교하는 가상 평면(K)에 있어서, 귀금속 팁(9)의 측 둘레면(35)으로 둘러싸인 제 1 영역 (T1)의 면적을 S1로 하고, 상기 제 1 영역(T1)을 상기 제 1 전극 표면(31)에 투영했을 때의 제 2 영역(T2)에 있어서의 상기 용융부(8)의 면적을 S2로 하면, 면적(S1)에 대한 면적(S2)의 면적 비율이 적어도 60％인 것이 바람직하다. 귀금속 팁(9)과 접지전극(7)이 상기 면적 비율로 용융부(8)를 통하여 접합되어 있으면, 귀금속 팁(9)의 내박리성을 충분히 확보할 수 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 귀금속 팁(9)은 귀금속 팁(9)을 접지전극(7)에 접합하기 전에 있어서의, 측 둘레면(35)과 제 1 전극 표면(31)이 교차하는 교선(M) 전체 둘레에 걸쳐서 제 2 용융부(36)가 형성되며, 또한 제 2 용융부(36)와 제 1 용융부(34)가 접촉하지 않고 떨어져서 배치되어 있음으로써, 대향면(37 및 38)이 존재하고, 상기 면적 비율이 적어도 60％로 되어 있는 것이 특히 바람직하다. 상기 교선(M) 전체 둘레에 걸쳐서 제 2 용융부(36)가 형성되어 있으면, 귀금속 팁(9)과 접지전극(7)의 간극으로부터 산화가 발생하여 취성파괴가 발생하는 것을 억제할 수 있으며 또, 상기 대향면(37 및 38)을 통하여 귀금속 팁(9)이 받은 열을 접지전극 (7)으로 전달하기 쉬워지므로, 귀금속 팁(9)의 내박리성 및 내소모성을 더욱 한층 향상시킬 수 있다.
상기 면적 비율[(S2/S1)×100]은, 예를 들면, 다음과 같이 하여 측정할 수 있다. 우선, 면적(S1)은 귀금속 팁(9)에 있어서, 점(P)을 포함하고, 중심 축선(X)에 직교하는 평면에서 절단하여 얻어진 절단면의 면적을 측정함으로써 구할 수 있다. 면적(S2)은 제 1 전극 표면(31)을 포함하는 평면에서 귀금속 팁(9)을 절단하여 얻어진 절단면에 있어서, 귀금속 팁(9)의 중심 축선을 포함하는 점을 원점(原點)으로 하여 측정한 면적(S1)을 가지는 원을 상정하고, 이 원 둘레에 둘러싸이는 제 2 영역 (T2)에 포함되는 용융부(8)의 면적을 측정함으로써 구할 수 있다. 상기 면적(S1) 및 상기 면적(S2)은 CT에 의해 측정할 수도 있다.
도 4는 이 발명의 스파크 플러그의 다른 실시예를 나타내는 스파크 플러그에 있어서의 귀금속 팁을 접지전극의 제 1 전극 표면을 포함하는 평면에서 절단했을 때의 절단면을 나타내는 주요부 일부 단면 설명도이다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 이 스파크 플러그에 있어서의 귀금속 팁(92)은 귀금속 팁(92)에 있어서의 간극형성면(322)과는 반대측의 전체면이 용융부(82)를 통하여 접지전극(72)에 접합되어 있다. 이때, 상기 면적 비율[(S2/S1)×100]은 100％가 된다. 귀금속 팁(92)에 있어서의 상기 간극형성면(322)과는 반대측의 전체면이 용융부(82)를 통하여 접지전극(72)에 접합되어 있으면, 귀금속 팁(92)과 접지전극(72)이 대향하는 대향면이 존재하지 않으므로, 이 대향면을 기점으로 하여 귀금속 팁(92)이 박리하는 것을 방지할 수 있어 귀금속 팁(92)의 내박리성을 더욱 한층 향상시킬 수 있다. 이와 같은 스파크 플러그는 냉열 사이클이 엄격하고, 진동이 격한, 귀금속 팁이 박리하기 쉬운 환경하에 있어서, 매우 적합하게 사용된다.
도 5는 이 발명의 스파크 플러그의 다른 실시형태를 나타내는 스파크 플러그에 있어서의 귀금속 팁의 축선을 포함하는 면에서 절단했을 때의 절단면을 나타내는 주요부 단면 설명도이다.
도 2에 나타내는 귀금속 팁(9)은 대략 각 기둥 형상의 접지전극(7)의 평탄면에 얹혀져 접합되어 있지만, 도 5에 나타내는 바와 같이, 접지전극(73)의 제 1 전극 표면(313)에 형성된 오목부에 귀금속 팁(93)의 일부가 매설되어 레이저 용접에 의해 접합되어 있어도 좋다. 귀금속 팁(93)의 일부가 접지전극(73)에 매설되어 있는 경우에는, 귀금속 팁(93)이 매설되어 있는 부위의 축선(X3) 방향의 길이(h)가 0.15㎜ 이하인 것이 바람직하다. 귀금속 팁(93)의 일부가 접지전극(73)에 매설되어 있는 경우에는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 제 2 용융부(363)가 귀금속 팁(93)의 측 둘레면(353)에 거의 노출되지 않도록 레이저 용접하여 형성할 수 있으므로, 귀금속 팁(93)의 표면적 즉 거리(H3)를 최대한으로 확보할 수 있다. 따라서, 귀금속 팁(93)의 일부가 접지전극(73)에 매설되어 접합되어 있으면, 귀금속 팁(93)의 내소모성의 효과가 제 2 용융부(363)에 의해 저감되는 것을 억제할 수 있다. 또, 귀금속 팁(93)의 일부가 접지전극(73)에 매설되어 접합되어 있으면, 접지전극(73)에 매설되어 있지 않은 경우에 비하여 내박리성이 향상된다. 한편, 도 5에 나타내는 바와 같이 접합된 귀금속 팁에서는, 귀금속 팁(93)의 접지전극(73)에 매설되어 있는 부위는 내소모성의 향상에 별로 기여하지 않으므로, 귀금속 팁(93)의 접지전극(73)에 매설되어 있는 부위의 길이(h)가 커질수록 귀금속 팁(93)의 체적에 따른 내소모성의 효과를 얻을 수 없게 된다. 따라서, 귀금속 팁(93)의 접지전극(73)에 매설되어 있는 부위의 길이가 0.15㎜ 이하이면, 귀금속 팁(93)과 접지전극(73)의 내박리성을 향상시키면서 귀금속 팁(93)에 의한 내소모성의 효과가 얻어진다.
도 2에 나타내는 귀금속 팁(9)와 같이, 귀금속 팁(9)이 접지전극(7)의 표면에 매설되는 일없이 접합되어 있는 경우 즉 귀금속 팁(9)이 접지전극(7)의 평탄면에 얹혀져 접합되어 있는 경우에는, 내소모성의 향상에 별로 기여하지 않는, 접지전극(7)에 매설된 부위가 존재하지 않으므로, 접합된 귀금속 팁(9)의 체적에 따른 내소모성의 효과가 얻어진다. 또, 도 2에 나타내는 귀금속 팁(9)은, 귀금속 팁(9)을 접지전극(7)에 레이저 용접할 때에 귀금속 팁(9)의 측 둘레면에 소정 면적의 제 2 용융부(36)가 노출되므로, 그 노출 면적에 따라 내소모성이 저감되지만, 제 1 용융부(34)를 가짐으로써 내박리성을 확보하는 것에 의해, 그 노출 면적을 최소한으로 억제하고, 귀금속 팁(9)을 접합함으로써 내소모성의 향상 효과를 최대한으로 발휘시킬 수 있다.
상기 스파크 플러그(1)는, 예를 들면 다음과 같이 하여 제조된다. 우선, 귀금속 재료에 관해서는 원하는 조성이 되도록 배합 및 용해하여 얻어지는 용해재를, 예를 들면 압연에 의해 판재에 가공하고, 그 판재를 펀칭 가공에 의해 소정의 팁 형상으로 펀칭하여 형성하는 방법, 합금을 압연, 단조 또는 신선(伸線)에 의해 선 형상 또는 로드 형상의 소재로 가공한 후에, 이것을 길이 방향에 소정 길이로 절단하여 형성하는 방법 등을 채용함으로써, 원하는 형상 및 조성을 가지는 귀금속 팁을 형성할 수 있다. 귀금속 팁의 형상은 특별히 한정되지 않고, 원기둥 형상, 원반 형상, 다각반(多角盤) 형상, 다각기둥 형상, 입자 형상 등의 적절한 형상을 채용할 수 있다.
중심전극(4)의 외층(27) 및 접지전극(7)을 형성하는 전극 모재는, 예를 들면, 진공용해로를 이용하여 원하는 조성을 가지는 합금의 용탕을 조제하고, 진공주조로 각 용탕으로부터 주괴(鑄塊)를 조제한 후, 이 주괴를 열간 가공, 드로잉 (drawing) 가공 등으로 하여 소정의 형상 및 소정의 치수로 적절히 조정하여 제작할 수 있다. 외층(27)은 컵 형상으로 형성한 Ni(니켈) 합금 등으로 이루어지는 전극 모재에, 전극 모재보다 열전도율이 높은 Cu(구리) 합금 등으로 이루어지는 내재 (內材)를 삽입하고, 압출 가공 등의 소성 가공으로 외층(27)의 내부에 코어부(28)를 가지는 중심전극(4)을 형성한다. 또한, 이 실시형태의 스파크 플러그(1)의 접지전극(7)은 1종류의 재료에 의해 형성되어 이루어지지만, 접지전극(7)이 중심전극 (4)과 마찬가지로 외층과 이 외층의 축심부에 매립되도록 설치된 코어부에 의해 형성되어도 좋으며, 이 경우에는 중심전극(4)의 경우와 마찬가지로 하여 컵 형상으로 형성한 전극 모재에 내재를 삽입하고, 압출 가공 등의 소성 가공한 후, 대략 각기둥 형상으로 소성 가공한 것을 접지전극(7)으로 할 수 있다.
이어서, 소정의 형상으로 소성 가공 등에 의해서 형성한 금속 쉘(6)의 단면에, 접지전극(7)의 일단부를 저항 용접 또는 레이저 용접 등에 의해서 접합한다. 이어서, 접지전극(7)이 접합된 금속 쉘(6)에 Zn(아연) 도금 또는 Ni(니켈) 도금을 시행한다. Zn(아연) 도금 또는 Ni(니켈) 도금의 후에 3가 크로메이트 처리를 실시해도 좋다.
이어서, 상기와 같이 제작한 귀금속 팁(9)을 접지전극(7)에 레이저 용접에 의해 접합한다. 우선, 귀금속 팁(9)을 제 1 전극 표면(31)에 있어서의 원하는 위치에 설치해서 귀금속 팁(9)과 제 1 전극 표면(31)이 교차하는 교선(M) 근방으로 향하여 제 1 전극 표면(31)에 대해서 비스듬한 방향으로부터 레이저를 조사하여 용융부(An)를 형성한다. 상기 교선(M) 전체 둘레에 걸쳐서 이것을 복수회 반복함으로써, 도 2의 (b)에 나타내는 바와 같이 제 2 용융부(36)를 형성한다. 이어서, 제 2 전극 표면(33)측으로부터 귀금속 팁(9)의 중심 축선(X)을 따라서 레이저를 조사함으로써, 접지전극(7)을 관통하고, 귀금속 팁(9)의 간극형성면(32)과는 반대측으로부터 귀금속 팁(9)의 일부에 잠식하도록 제 1 용융부(34)를 형성한다.
상기 제 2 용융부(36) 및 제 1 용융부(34)를 형성할 때의, 레이저의 종류, 출력, 조사 방향, 조사 회수 및 스폿 직경 등은 특별히 한정되지 않는다. 제 2 용융부(36)를 형성할 때는, 상기 교선(M) 위의 적어도 일부에 제 2 용융부(36)가 형성되도록 레이저의 출력 등을 설정하고, 귀금속 팁(9)의 측 둘레면(35)에 노출되는 제 2 용융부(36)의 노출 면적이 내박리성을 확보할 수 있는 범위로 되기 위해 작아지도록 형성하는 것이 바람직하다. 제 1 용융부(34)를 형성할 때는, 상기 제 2 전극 표면(33)에 용융부(8)가 노출되고, 귀금속 팁(9)의 적어도 일부에 잠식하도록 제 1 용융부(34)가 형성되도록 레이저출력 등이 설정된다. 또한, 이 실시형태의 스파크 플러그(1)에 있어서는, 제 1 용융부(34)가 제 2 전극 표면(33)에 용융부가 노출되도록 형성되어 있지만, 간극형성면(32)측으로부터 레이저를 조사함으로써, 간극형성면(32)에 용융부가 노출되도록 제 1 용융부를 형성해도 좋다. 또, 이 실시형태의 스파크 플러그(1)의 제조방법에 있어서는, 제 2 용융부(36)를 형성한 후에 제 1 용융부(34)를 형성하고 있지만, 이들의 형성 순서는 특별히 한정되지 않고, 제 1 용융부(34)를 형성한 후에 제 2 용융부(36)를 형성해도 좋다.
한편, 세라믹 등을 소정의 형상으로 소성함으로써 절연체(3)를 제작하고, 이 절연체(3)의 축 구멍(2) 내에 중심전극(4)을 삽입하며, 밀봉체(10, 11)를 형성하는 유리 분말, 저항체(12)를 형성하는 저항체 조성물, 상기 유리 분말을 이 순서로 상기 축 구멍(2) 내에 예비 압축하면서 충전한다. 이어서 상기 축 구멍(2) 내의 단부로부터 금속 단자(5)를 압입하면서 저항체 조성물 및 유리 분말을 압축 가열한다. 이렇게 하여 저항체 조성물 및 유리 분말이 소결되어 저항체(12) 및 밀봉체(10, 11)가 형성된다. 이어서 접지전극(7)이 접합된 금속 쉘(6)에 이 중심전극(4) 등이 고정된 절연체(3)를 조립한다. 마지막에 접지전극(7)의 선단부를 중심전극(4)측으로 접어 구부려서 접지전극(7)의 일단이 중심전극(4)의 선단부와 대향하도록 하여 스파크 플러그(1)가 제조된다.
본 발명에 관련되는 스파크 플러그는, 자동차용의 내연기관 예를 들면 가솔린 엔진 등의 점화전(點火栓)으로서 사용되고, 내연기관의 연소실을 구획 형성하는 헤드(도시생략)에 설치된 나사 구멍에 상기 나사부가 나사 결합되어 소정의 위치에 고정된다. 이 발명에 관련되는 스파크 플러그는, 어떤 내연기관에도 사용할 수 있지만, 내소모성 및 내박리성을 가지는 귀금속 팁을 구비함으로써, 내구성이 우수한 스파크 플러그를 제공할 수 있으므로, 근래의 연소실 내의 고압축화나 희박 연료를 이용한 내연기관에 매우 적합하게 사용될 수 있다.
이 발명에 관련되는 스파크 플러그는 상기한 실시예에 한정되는 일은 없으며, 본원 발명의 과제를 달성할 수 있는 범위에 있어서, 여러 가지의 변경이 가능하다. 예를 들면, 상기 스파크 플러그(1)는 접지전극(7)에만 귀금속 팁(9)이 설치되고, 중심전극(4)에는 설치되지 않지만, 접지전극(7)과 중심전극(4)의 양방에 귀금속 팁이 설치되어 있어도 좋다.
또, 상기 스파크 플러그(1)는 접지전극(7)의 측면인 제 1 전극 표면(31)에 설치된 귀금속 팁(9)과 중심전극(4)의 선단면(30)이 축선(O) 방향에서 간극(G)을 통하여 대향하도록 배치되어 있지만, 이 발명에 있어서, 선단면(30)에 귀금속 팁이 설치되고, 이 귀금속 팁의 측면과 이 측면에 대향하도록 배치된 접지전극의 선단부에 설치된 귀금속 팁의 선단면이 중심전극의 반경 방향에서 간극을 통하여 대향하도록 배치되어 있어도 좋다. 이 경우에, 중심전극에 설치된 귀금속 팁의 측면에 대향하는 귀금속 팁이 설치된 접지전극은, 단수가 설치되어도, 복수가 설치되어도 좋다.
실시예
1. 내박리성 시험
(접지전극 시험체의 제작)
귀금속 팁으로서 직경 1.0㎜, 높이 1.0㎜의 원기둥 형상의 백금과 로듐의 합금을 이용하고, 전극 모재로서 1.5㎜×2.8㎜의 각기둥 형상의 INC601을 이용하여 평가를 실시했다. 또한, 이하에 있어서는 원기둥 형상의 귀금속 팁과 단면이 사각 형인 각기둥 형상의 전극 모재를 이용한 예를 나타내고 있지만, 귀금속 팁이 원기둥 형상의 경우뿐만 아니라, 원반 형상, 다각기둥 형상, 다각판 형상, 이들을 조합한 형상 등 다른 형상의 귀금속 팁을 이용한 경우에 있어서도, 또, 전극 모재가 각기둥 형상의 경우뿐만 아니라, 그 단면 형상이 원형, 타원형, 다각형 등 다른 형상을 가지는 봉 형상체의 전극 모재를 이용한 경우에 있어서도, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있었다.
이 접지전극의 선단부의 둘레 측면에 귀금속 팁을 다음과 같이 하여 레이저 용접에 의해 접합했다. 우선, 귀금속 팁을 접지전극의 선단부의 둘레 측면인 제 1 전극 표면에 설치해서 귀금속 팁과 제 1 전극 표면이 교차하는 교선(M) 근방으로 향하여 제 1 전극 표면에 대해서 비스듬한 방향으로부터 레이저를 복수회 조사하여 이것을 교선(M)의 전체 둘레에 걸쳐서 복수회 반복했다. 이 레이저 조사에 의해 귀금속 팁과 접지전극이 용융하여 제 2 용융부를 형성하고, 이 제 2 용융부의 적어도 일부가 귀금속 팁의 측 둘레면에 노출되어 있었다. 이어서, 접지전극에 있어서의 귀금속 팁이 설치되어 있는 측과는 반대측의 면인 제 2 전극 표면측으로부터 귀금속 팁의 중심 축선을 따라서 레이저를 1회 조사하고, 레이저가 접지전극을 관통하여 귀금속 팁의 적어도 일부에 조사되도록 레이저출력 및 조사 시간 등을 조정했다. 이 레이저 조사에 의해 귀금속 팁과 접지전극이 용융하여 제 1 용융부를 형성하고, 이 제 1 용융부는 제 2 전극 표면에 노출되어 있었다. 이와 같이 레이저 조사함으로써, 제 1 용융부와 제 2 용융부를 형성하고, 예를 들면, 도 2에 예시되는 바와 같이 귀금속 팁을 접지전극에 접합했다.
귀금속 팁을 접지전극에 접합할 때에는, 레이저출력, 레이저의 스폿 직경, 레이저의 조사 회수 등의 조사 조건을 적절하게 변경함으로써, 표 1에 나타내는 바와 같이, 용융부의 면적 비율이 다른 접지전극 시험체를 제작했다. 또한, 용융부의 면적 비율은 다음과 같이 하여 구했다. 우선, 접지전극의 제 1 전극 표면을 포함하는 평면에서 귀금속 팁을 절단하고, 얻어진 절단면에 있어서 귀금속 팁의 중심 축선을 포함하는 점을 원점으로 하여 귀금속 팁의 직경 1.0㎜를 가지는 원을 상정하고, 이 원주에 둘러싸이는 영역에 포함되는 제 1 용융부와 제 2 용융부의 합계 면적 즉 용융부의 면적을 측정했다. 이어서, 직경 1.0㎜의 귀금속 팁의 면적 0.785㎟에 대한 용융부의 면적의 비율을 산출하여 이것을 용융부의 면적 비율로 했다.
(열사이클 시험)
상기한 바와 같이 제작한 접지전극 시험체에 있어서의 귀금속 팁이 접합된 부분을 가스 버너로 가열함으로써 1000℃로 120초간 유지 후, 실온에서 60초간 방냉하는 열사이클을 1사이클로 하여 이것을 1000사이클 반복했다. 또한, 이 열사이클 시험은 시장에 있어서의 10만km 주행에 상당하는 탁상 시험이다.
(내박리성 평가)
열사이클 시험 후의 접지전극 시험체를 귀금속 팁의 축선을 포함하는 면에서 절단하고, 얻어진 절단면에 있어서, 귀금속 팁과 접지전극의 접합 부분에 간극이 관찰되는 것 등에 의해, 귀금속 팁이 접지전극에 대해서 박리하고 있는 것이 인정된 부분의 선분의 길이를 박리 길이로서 측정했다. 상기 접합 부분의 길이에 대한 상기 박리 길이의 비율을 박리율로서 산출하고, 이 박리율이 90％ 이하인 것을 「A」, 90％를 초과하는 것을 「B」로 나타낸 결과를 표 1에 나타냈다.
시험번호 용융부의 면적비율(％) 평가결과
1 52 B
2 55 B
3 58 B
4 60 A
5 64 A
6 68 A
7 72 A
8 75 A
9 78 A
표 1에 나타내는 바와 같이, 용융부의 면적 비율이 60％ 이상인 것에 의해, 귀금속 팁의 내박리성이 향상되는 것을 알 수 있다.
2. 내소모성 시험
(시험체의 제작)
직경 1.0㎜, 높이 0.8㎜의 원기둥 형상의 귀금속 팁을 이용한 것 이외는 내박리성 시험과 마찬가지로 하여 귀금속 팁을 접지전극에 접합하고, 표 2에 나타내는 바와 같이 귀금속 팁의 접지전극에 매설되어 있는 부위의 축선 방향 길이(매설량)가 다른 접지전극을 제작했다.
제작한 접지전극과 인코넬 600에 의해 형성된 중심전극을 이용해서 상기와 같이 하여 스파크 플러그의 시험체를 제조했다.
접지전극에 접합된 귀금속 팁의 간극형성면과 중심전극의 선단면의 거리[간극(G)]는 어느 것의 시험체도 0.90㎜였다. 또, 각 접지전극에 대해서, 귀금속 팁의 간극형성면에서 제 2 용융부에 있어서의 간극(G)에 가장 가까운 점까지의 최단 거리를 측정했다. 이 측정값을 「스트레이트 길이」로서 표 2에 나타낸다.
(내구 시험)
제조한 스파크 플러그의 시험체를 엔진에 장착하고, 회전수 6500rpm, WOT(Wide-Open Throttle)의 조건으로 200시간 유지하는 내구 시험을 실시했다.
(내소모성의 평가)
내구 시험 후의 간극(G)을 측정하고, 내구 시험 전후의 간극 증가량을 산출했다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
시험번호 매설량
(㎜)		 스트레이트 길이
(㎜)		 간극 증가량
(㎜)
11 0 0.4 0.05
12 0.1 0.3 0.07
13 0.15 0.25 0.08
14 0.2 0.2 0.17
표 2에 나타내는 바와 같이, 귀금속 팁의 접지전극으로의 매설량이 작을수록 간극 증가량을 억제할 수 있으며, 매설량이 0.15㎜ 이하일 때, 간극 증가량을 0.08㎜ 이하로 억제할 수 있었다.
1, 101: 스파크 플러그 2: 축 구멍
3: 절연체 4: 중심전극
5: 금속 단자 6: 금속 쉘
7: 접지전극 8: 용융부
9: 귀금속 팁 10, 11: 밀봉체
12: 저항체 13: 플랜지부
14: 후단측 몸통부 15: 선단측 몸통부
16: 다리부 17: 나사부
18: 가스밀봉부 19: 개스킷
20: 공구 걸어맞춤부 21: 크림핑부
22, 23: 패킹 24: 활석
25: 노출부 26: 기둥형상부
27: 외층 28: 코어부
30: 선단면 31: 제 1 전극 표면
32: 간극형성면 33: 제 2 전극 표면
34: 제 1 용융부 35: 측 둘레면
36: 제 2 용융부 37: 제 1 대향면
38: 제 2 대향면 G: 간극

Claims (5)

  1. 중심전극과, 접지전극과, 상기 중심전극 및 상기 접지전극의 적어도 일방(이하, 전극이라 부른다)에 레이저 용접되어 타방의 전극과의 사이에 간극을 형성하는 간극형성면을 가지는 귀금속 팁을 구비하는 스파크 플러그로서,
    상기 귀금속 팁은 상기 레이저 용접에 의해 형성된 용융부를 통하여 상기 전극에 접합되어 이루어지며,
    상기 용융부는 상기 간극형성면, 및/또는 상기 귀금속 팁이 접합된 제 1 전극 표면과는 반대측의 제 2 전극 표면에 용융부가 노출되어 이루어지는 제 1 용융부와, 상기 귀금속 팁의 측 둘레면에 용융부가 노출되어 이루어지는 제 2 용융부를 가지는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 귀금속 팁과 상기 귀금속 팁이 접합된 전극은 양자가 대향하는 대향면을 각각 가지는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 2 용융부의 상기 간극에 가장 가까운 점을 포함하는 상기 귀금속 팁의 직경 방향의 가상 평면에 있어서의 상기 귀금속 팁의 측 둘레면에 둘러싸인 제 1 영역의 면적에 대해서,
    상기 제 1 영역을 상기 제 1 전극 표면에 투영한 제 2 영역에 있어서의 상기 용융부가 차지하는 면적 비율이 적어도 60％인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 귀금속 팁의 상기 간극형성면과는 반대측의 전체면은 상기 귀금속 팁이 접합된 전극과 상기 용융부를 통하여 접합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 귀금속 팁은 상기 귀금속 팁이 접합된 전극의 평탄면에 얹혀져 접합되어 이루어지며, 또는, 상기 전극의 표면에 형성된 오목부에 상기 귀금속 팁의 일부가 매설되어 접합되어 이루어지고, 상기 귀금속 팁의 상기 오목부에 매설되어 있는 부위의 축선 방향 길이가 0.15㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 스파크 플러그.
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