KR101352750B1 - 스파크 플러그 및 스파크 플러그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스파크 플러그가 축소될 때에도 양호한 가연성-가스 점화능력을 갖는 스파크 플러그 및 양호한 가연성-가스 점화능력을 갖는 스파크 플러그의 고-수율 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 양상에 의하면, 중심전극(2), 절연체(3) 및 금속쉘(4)을 가지며 다음의 조건(1) 내지 (5)를 만족하는 스파크 플러그(1)가 제공된다. 본 발명의 다른 양상에 의하면, 원료물질 분말에서 10% 부피 직경의 입자와 90% 부피 직경의 입자 사이의 입도분포 비율(90% 부피 직경/10% 부피 직경)이 3.6 내지 5.2가 되도록 상기 원료물질 분말을 준비하고, 준비된 원료물질 분말을 프레스-성형 및 소결함으로써 절연체를 제조하는 단계를 포함하는 스파크 플러그의 제조방법이 제공된다.
조건(1): 상기 절연체는 상기 금속쉘의 선단면을 포함하는 가상평면에서 0.3 내지 1.1㎜의 벽두께(T)를 갖는다.
조건(2): 상기 절연체의 선단으로부터 상기 가상평면 후방으로 적어도 2㎜ 까지 연장되는 상기 절연체의 영역은 Si 성분, 희토류 원소 성분 및 적어도 2종의 2족 원소 성분으로서 실질적으로 B 성분이 없는 성분을 포함하는 알루미나-계 소결체로 형성된다;
조건(3): 상기 알루미나-계 소결체에서 상기 Si 성분, 상기 2족 원소 성분 및 상기 희토류 원소 성분의 전체 질량에 대하여 상기 희토류 원소 성분의 질량의 질량 비율(RRE)은 0.15 내지 0.45이다;
조건(4): 상기 알루미나-계 소결체에서 상기 Si 성분의 질량에 대하여 상기 2족 원소 성분의 전체 질량의 질량 비율(R2)은 0.25 이상이다;
조건(5): 상기 알루미나-계 소결체는, 그의 입계상에, 상기 희토류 원소 성분을 포함하는 알루민산염 결정을 포함한다.
조건(1): 상기 절연체는 상기 금속쉘의 선단면을 포함하는 가상평면에서 0.3 내지 1.1㎜의 벽두께(T)를 갖는다.
조건(2): 상기 절연체의 선단으로부터 상기 가상평면 후방으로 적어도 2㎜ 까지 연장되는 상기 절연체의 영역은 Si 성분, 희토류 원소 성분 및 적어도 2종의 2족 원소 성분으로서 실질적으로 B 성분이 없는 성분을 포함하는 알루미나-계 소결체로 형성된다;
조건(3): 상기 알루미나-계 소결체에서 상기 Si 성분, 상기 2족 원소 성분 및 상기 희토류 원소 성분의 전체 질량에 대하여 상기 희토류 원소 성분의 질량의 질량 비율(RRE)은 0.15 내지 0.45이다;
조건(4): 상기 알루미나-계 소결체에서 상기 Si 성분의 질량에 대하여 상기 2족 원소 성분의 전체 질량의 질량 비율(R2)은 0.25 이상이다;
조건(5): 상기 알루미나-계 소결체는, 그의 입계상에, 상기 희토류 원소 성분을 포함하는 알루민산염 결정을 포함한다.
Description
본 발명은 스파크 플러그 및 스파크 플러그의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 축소될 때에도 양호한 가연성-가스 점화능력을 갖는 스파크 플러그 및 양호한 가연성-가스 점화능력을 갖는 스파크 플러그의 고-수율 제조방법에 관한 것이다.
자동차 엔진과 같은 내연 엔진용 스파크 플러그는 일반적으로 중심전극, 상기 중심전극 주위에 배치되는 실질적으로 원통형인 절연체, 상기 절연체 주위에 배치되는 실질적으로 원통형인 금속쉘 및 상기 금속쉘의 선단에 원하는 대로 부착되는 접지전극을 포함한다. 이러한 유형 중 하나의 스파크 플러그가 특허문헌 1에 개시된다. 특허문헌 1은 특히 "축-형상 중심전극; 상기 중심전극의 외주 표면 상에 배치되는 금속쉘; 상기 금속쉘에 결합된 일단 및 상기 중심전극에 대향되는 타단을 갖는 접지전극; 및 상기 중심전극 및 상기 금속쉘 사이에 절연을 제공하기 위하여 배열되는 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 의한 스파크 플러그 절연체로 이루어지는: 스파크 플러그"(청구항 5 참조)를 언급한다.
스파크 플러그가 장착되는 내연엔진의 구조는 최근 더욱 복잡해지고 있다. 그러므로, 내연엔진의 설계 유연성을 보장하기 위하여 스파크 플러그의 직경과 같은 크기를 감소시키고자 하는 요구가 있다. 스파크 플러그를 축소할 목적으로는 절연체의 벽두께를 감소시키는 것이 효과적이다. 그러나, 절연체의 벽두께가 감소되면 스파크 플러그가 그의 내전압 특성을 유지할 수 없게 된다. 한편, 스파크 플러그의 내구성 및 내전압 특성을 보장하면서 스파크 플러그를 축소할 목적으로는 중심전극의 외경 및 절연체의 벽두께를 종래의 스파크 플러그에서와 유사하게 유지하는 것이 효과적이다. 이러한 경우에는, 점화부(때때로 "가스 용적(gas volume)"으로 칭함) 내에서 절연체와 금속쉘 사이의 클리어런스가 좁아진다. 절연체와 금속쉘 사이의 클리어런스가 요구되는 바보다 좁아지게 될 때에는, 스파크 플러그가 중심전극과 접지전극 사이의 스파크 방전갭에서 적절한 스파크 방전을 발생시키지 못하면서 절연체의 외주와 금속쉘의 내주표면 사이에서 소위 측방향 스파크(lateral spark)를 유발한다. 이는 스파크 플러그의 점화능력(ignitability) 열화를 초래한다.
한편, 엔진성능 및 효율성 개선을 목적으로 최근 고-압축 내연엔진 및 과급기(superchargers)를 갖는 내연엔진이 개발되었다. 이들 각각의 내연엔진에서, 스파크 플러그의 점화부는 스파크 플러그의 주위 온도 및 방전 전압 증가로 인하여 극한 환경에 놓인다. 스파크 플러그, 특히, 축소된 스파크 플러그가 이러한 극한 환경에 놓이면, 내연엔진의 고-부하 작동 중 스파크 플러그의 점화능력이 현저히 열화될 수 있다. 이러한 점화능력 열화의 원인은 다음과 같이 추정된다. 내연엔진의 고-부하 작동 중 절연체의 선단이 고온으로 가열됨에 따라, 절연체 내 유리성분의 연화가 발생되어 상기 유리성분의 전자가 활발히 움직이므로 절연체의 유리상 내에 전류 흐름을 발생시키게 된다. 발생된 전류는 절연체의 외주 표면으로 공급되어 외부 공기에 방출된다. 즉, 스파크 방전용 전류가 절연체 외부로 누출된다. 스파크 플러그는 스파크 방전에 필요한 양의 에너지를 받을 수 없고 그러므로 중심전극과 접지전극 사이의 스파크 방전갭 내에서 적절한 스파크 방전을 발생시킬 수 없다. 이하, 본 발명에서 절연체의 유리상을 통하여 흘러 절연체로부터 누출되는 전류를 "누설전류"로 칭한다.
스파크 플러그의 점화능력 열화는 곧바로 배기성능의 열화로 이어진다. 환경 대책이 필요한 요즈음에는 이러한 점화능력 열화 문제를 해결하는 것이 특히 중요하다.
그러므로, 본 발명의 목적은 축소된 때에도 양호한 가연성-가스 점화능력을 갖는 스파크 플러그를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 양호한 가연성-가스 점화능력을 갖는 스파크 플러그의 고-수율 제조방법을 제공하는 것이다.
위의 목적에 대한 해결책으로서, 스파크 플러그의 축방향으로 연장되는 중심전극; 상기 중심전극 주위에 배치되며 그의 선단측에 작은-직경 다리부를 갖는 실질적으로 원통형인 절연체; 및 상기 절연체 주위에 배치되는 실질적으로 원통형인 금속쉘로 이루어지며, 다음의 조건(1) 내지 (5)를 만족하는 스파크 플러그.
조건(1): 상기 절연체는 상기 금속쉘의 선단면을 포함하는 가상평면에서 0.3 내지 1.1㎜의 벽두께(T)를 갖는다.
조건(2): 상기 절연체의 선단으로부터 상기 가상평면 후방으로 적어도 2㎜ 까지 연장되는 상기 절연체의 영역은 Si 성분, 희토류 원소 성분 및 IUPAC 권고 1990에 의한 주기율표의 적어도 2종의 2족 원소 성분으로서 실질적으로 B 성분이 없는 성분을 포함하는 알루미나-계 소결체로 형성된다.
조건(3): 상기 알루미나-계 소결체에서 상기 Si 성분, 상기 2족 원소 성분 및 상기 희토류 원소 성분(산화물 면에서)의 전체 질량에 대하여 상기 희토류 원소 성분(산화물 면에서)의 질량의 비율(RRE)은 0.15 내지 0.45이다.
조건(4): 상기 알루미나-계 소결체에서 상기 Si 성분(산화물 면에서)의 질량에 대하여 상기 2족 원소 성분(산화물 면에서)의 전체 질량의 비율(R2)은 0.25 이상이다.
조건(5): 상기 알루미나-계 소결체는, 그의 입계상에, 상기 희토류 원소 성분을 포함하는 알루민산염 결정을 포함한다.
위의 목적에 대한 또 다른 해결책으로서, 본 발명에 의하면, 원료물질 분말을 준비하고, 준비된 원료물질 분말을 소정몸체로 프레스-성형하고, 프레스-성형체를 소결함으로써 절연체를 제조하는 것으로 이루어지며, 상기 원료물질 분말은 Al 화합물 분말, Si 화합물 분말, IUPAC 권고 1990에 의한 주기율표의 적어도 2종의 2족 원소의 화합물 분말 및 희토류 원소 화합물 분말을 다음의 조건(A)을 만족하는 방식으로 혼합함으로써 준비됨을 특징으로 하는 스파크 플러그의 제조방법이 제공된다.
조건(A): 상기 원료물질 분말에서 10% 부피 직경의 입자와 90% 부피 직경의 입자 사이의 입도분포(입자 크기 분포) 비율(90% 부피 직경/10% 부피 직경)은 3.6 내지 5.2이다.
본 발명에 의한 스파크 플러그는 위의 조건(1) 내지 (5)를 모두 만족함으로써, 상기 스파크 플러그가 축소된 때에도, 절연체 내에서 누설전류의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다. 그러므로, 본 발명에 의하면 축소된 때에도 양호한 가연성-가스 점화능력을 갖는 스파크 플러그를 제공할 수 있다.
본 발명에 의한 스파크 플러그의 제조방법은 위의 조건(A)을 만족하는 방식으로 혼합된 원료물질 분말을 준비하고, 그리고나서, 준비된 원료물질 분말을 성형 및 소결함으로써 절연체를 제조하는 단계를 포함하므로, 알루민산염 결정상의 용이한 형성으로 인하여 누설전류가 거의 발생되지 않는 절연체를 높은 반복성으로 제조할 수 있다. 그러므로, 양호한 가연성-가스 점화능력을 갖는 스파크 플러그의 고-수율 제조가 가능하다.
도 1은 본 발명에 의한 스파크 플러그의 일 실시예를 나타낸 부분적으로 단면도인 개략도이다.
도 2는 본 발명에 의한 스파크 플러그의 일 실시예의 실질적인 선단부를 나타낸 부분적으로 단면도인 확대도이다.
도 3은 실험의 누설전류 평가테스트에 사용되는 평가테스트 플러그를 나타낸 부분적으로 단면도인 확대도이다.
도 4는 실험의 누설전류 평가테스트 6을 위한 기구의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 의한 스파크 플러그의 일 실시예의 실질적인 선단부를 나타낸 부분적으로 단면도인 확대도이다.
도 3은 실험의 누설전류 평가테스트에 사용되는 평가테스트 플러그를 나타낸 부분적으로 단면도인 확대도이다.
도 4는 실험의 누설전류 평가테스트 6을 위한 기구의 개략도이다.
본 발명에 의한 스파크 플러그는 스파크 플러그의 축방향으로 연장되는 중심전극, 상기 중심전극 주위에 배치되며 그의 선단측에 작은-다리부를 갖는 실질적으로 원통형인 절연체, 및 상기 절연체 주위에 배치되는 실질적으로 원통형인 금속쉘을 포함한다. 스파크 플러그가 이러한 구조를 갖는 한, 상기 스파크 플러그의 기타 구조에는 특별한 제한이 없다. 스파크 플러그에 대한 다양한 주지의 구조를 채용하는 것이 가능하다. 예를 들면, 본 발명에 의한 스파크 플러그는 상술한 바의 구조의 소위 표면-방전 유형 스파크 플러그로 될 수 있다. 상기 스파크 플러그는, 중심전극, 절연체 및 금속쉘에 더하여, 스파크 방전갭을 사이에 두고 상기 중심전극에 대향되는 일단을 갖는 접지전극을 더욱 포함할 수 있다.
도 1 및 2는 본 발명에 의한 스파크 플러그의 일 실시예로서 스파크 플러그(1)를 나타낸다. 보다 구체적으로, 도 1은 본 발명에 의한 스파크 플러그의 일 실시예를 나타낸 부분적으로 단면도인 개략도이며; 그리고, 도 2는 본 발명에 의한 스파크 플러그의 일 실시예로서 스파크 플러그(1)의 실질적인 선단부를 나타낸 부분적으로 단면도인 확대도이다. 다음의 설명에서, 도 1의 바닥측 및 상부측은 축(AX)방향에 대하여 전후방측으로 각각 정의되며; 도 2의 상부측 및 바닥측은 축(AX)방향에 대하여 전후방측으로 각각 정의됨을 주지한다.
도 1 및 2에 나타낸 바와 같이, 상기 스파크 플러그(1)는 실질적으로 로드-형상인 중심전극(2), 상기 중심전극(2) 주위에 배치되며 실질적으로 원통형인 절연체(3), 상기 절연체(3)를 내부에 보유하는 원통형인 금속쉘(4) 및 사이에 스파크 방전갭(G)을 두고 상기 중심전극(2)의 선단면에 대향되는 일단 및 상기 금속쉘(4)의 선단면과 접합된 타단을 갖는 접지전극(6)을 포함한다.
상기 금속쉘(4)은 원통형 형상으로 되어 상기 절연체(3)가 상기 금속쉘(4) 내에 삽입 및 보유된다. 상기 금속쉘(4)의 선단측 외주 표면 상에는 나사부(9)가 형성되어 상기 나사부(9)에 의하여 내연엔진의 실린더 헤드(도시 않됨) 상에 상기 스파크 플러그(1)를 장착하게 된다. 상기 금속쉘(4)은 예를 들면 저탄소강과 같은 도전성 강재로 형성 가능하다.
상기 나사부(9)는, 예를 들면, 호칭 직경 M10, M12 또는 M14로 규격화된다. 본 발명에서, 상기 나사부(9)의 호칭 직경은 ISO 2705(MI2), ISO 2704(M10) 등에 의한 직경값을 칭하며 및 이들 표준에 의하여 정의된 치수 공차 내에서 변화를 허용한다. 상기 스파크 플러그(1)를 최근의 복잡한 내연엔진, 고-출력 내연엔진 또는 축소된 내연엔진에 장착할 때, 상기 나사부(9)의 호칭 직경은 일반적으로 M10 이하로 조정된다. 상기 나사부(9)의 호칭 직경이 감소됨에 따라 상기 절연체(3)의 충분한 벽두께를 보장하는 데에 어려움이 있다. 본 발명에서는, 그러나, 축소된 스파크 플러그에서의 사용을 위하여 상기 절연체(3)의 벽두께를 감소시킬 때에도 후술되는 바와 같이 조건(1) 뿐만 아니라 조건(2) 내지 (5)를 만족시킴으로써 상기 절연체(3) 내에서 누설전류의 발생이 거의 없게 된다. 본 발명에 의한 스파크 플러그는 그러므로 상기 나사부(9)의 호칭 직경이 M10 이하로 감소될 때에도 양호한 가연성-가스 점화능력을 보유할 수 있다. 따라서, 본 발명의 목적을 해결할 수 있다, 즉, 나사부(9)의 호칭 직경이 M10 이하인 이러한 축소된 스파크 플러그에 양호한 가연성-가스 점화능력을 부여하는 것이 가능하다.
상기 중심전극(2)은 축방향을 따라 실질적으로 로드-형상이며, 도 1 및 2에 나타낸 바와 같이, 외부 전극 부재(7) 및 상기 외부 전극 부재(7)의 중심부에 동축으로 매설되는 내부 전극 부재(8)를 포함한다. 상기 중심전극(2)은, 상기 절연체(3)의 선단면으로부터 외측으로 돌출되는 상기 중심전극(2)의 선단부로써, 상기 절연체(3)에 고정되며, 상기 금속쉘(4)로부터 절연되어 유지된다. 상기 중심전극(2)의 외부 전극 부재(7)는 높은 열 및 부식저항의 니켈-계 합금 물질로 형성가능한 반면, 상기 중심전극(2)의 내부 전극 부재(8)는 대부분 동(Cu) 또는 니켈(Ni), 바람직하게는 동과 같이 높은 열전도율을 갖는 금속 물질로 형성가능하다. 상기 중심전극(2)이 상기 절연체(3) 내에 보유될 때, 도 2에 명백히 나타낸 바와 같이 적어도 상기 금속쉘(4)의 선단면(4a)을 포함하는 가상평면까지 또는 그 이상으로 상기 내부 전극 부재(8)가 연장되도록, 상기 외부 전극 부재(7) 내에 상기 내부 전극 부재(8)를 매설하는 것이 바람직하다. 내부 전극 부재(8)는 상기 가상평면의 전방측으로 연장되는 것이 특히 바람직하다. 상술한 바와 같이 상기 내부 전극 부재(8)를 상기 외부 전극 부재(7) 내에 매설할 때, 상기 내부 전극 부재(8)는 상기 절연체(3)로부터의 빠른 열방사를 허용하여 상기 스파크 플러그(1)의 내열성을 개선하고, 동시에, 상기 절연체(3)의 주위 온도가 고온에 도달할 때, 상기 절연체(3) 자체의 온도를 감소시키며 따라서 보다 높은-온도 조건하에서도 상기 절연체(3) 내에서의 누설전류 발생을 방지한다. 상기 스파크 플러그(1)는 그러므로 높은 내열성을 얻을 수 있고, 보다 높은 온도의 극한 환경에서도 누설전류를 방지할 수 있으며, 양호한 가연성-가스 점화능력을 유지할 수 있다. 따라서 본 발명의 목적을 해결할 수 있다, 즉, 상기 절연체(3) 내에서 누설전류가 발생되지 않도록 하며 양호한 가연성-가스 점화능력을 갖는 스파크 플러그를 제공할 수 있다.
상기 접지전극(6)은, 예를 들면, 프리즘 형상으로 형성된다. 도 1 및 2에 나타낸 바와 같이, 상기 접지전극(6)은 그의 일단이 상기 금속쉘(4)의 선단면(4a)에 접합되며 실질적으로 L-형상으로 만곡되고 상기 접지전극(6)의 타단이 상기 축(AX) 방향을 향하도록 위치된다. 이러한 형상 및 구조 설계에 의하여, 상기 접지전극(6)은 상기 접지전극(6)의 타단이 상기 스파크 방전갭(G)을 통하여 상기 중심전극(2)에 대향되도록 배열된다. 상기 스파크 방전갭(G)은 상기 중심전극(2)의 선단면과 상기 접지전극(6)의 표면 사이에 구획되며 일반적으로 0.3 내지 1.5㎜로 설정된다. 상기 접지전극(6)은, 바람직하게는, 상기 접지전극(6)이 상기 중심전극(2)보다 고온에 노출된다는 사실로 인하여 상기 중심전극(2)의 그것들 보다 더욱 높은 열 및 부식 저항을 갖는 Ni-계 합금으로 형성가능하다. 상기 스파크 플러그(1)에서는 상기 접지전극(6)이 상기 금속쉘(4)의 선단면(4a)에 접합되지만 본 발명에서는 상기 접지전극을 상기 금속쉘의 선단에 접합하는 것으로 충분하다. 상기 접지전극은 양자택일적으로 상기 선단면(4a) 이외에도 상기 금속쉘의 선단의 임의의 영역, 예를 들면, 상기 금속쉘의 선단의 원주 표면에 접합가능하다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 절연체(3)는 실질적으로 원통형 형상을 가지며, 그의 선단측에 형성되는 작은-직경 다리부(3e)를 포함한다. 상기 절연체(3)는 활석 및/또는 패킹 등(도시 않됨)을 통하여 상기 금속쉘(4) 내에 보유된다. 상기 축(AX) 방향을 따라 상기 절연체(3) 내에는 축홀이 형성되어 상기 절연체(3)의 축홀 내에 상기 중심전극(2)이 고정된다. 상기 절연체(3)는 상기 금속쉘(4)의 선단면(4a)으로부터 외측으로 돌출되는 상기 절연체(3)의 선단부로써 상기 금속쉘(4) 내에 고정된다.
상기 스파크 플러그(1)에서, 도 1 및 2에 명백히 나타낸 바와 같이, 상기 절연체(3)는 상기 금속쉘(4) 내에 삽입된 절연체 베이스부(3a), 상기 절연체 베이스부(3a)의 선단으로부터 전방을 향하여 연장되며 전방을 향하여 점진적으로 감소되는 외경을 갖는 원뿔형 절두체-형상 직경-감소부(3b), 및 상기 직경-감소부(3b)의 선단으로부터 전방을 향하여 연장되며 실질적으로 균일한 외경을 갖는 실질적으로 원통형인 선단부(3c)를 더욱 포함한다. 상기 직경-감소부(3b) 및 상기 선단부(3c)는 상기 절연체(3)의 선단측에 다리부(3f)를 구성한다. 상기 직경-감소부(3b)는 상기 직경-감소부(3b)의 내주 표면과 상기 금속쉘(4)의 외주 표면 사이에 약간의 클리어런스를 두고 상기 금속쉘(4)에 의하여 둘러싸인다. 상기 선단부(3c)의 후방측은 상기 금속쉘(4) 내에 위치되는 반면, 상기 선단부(3c)의 전방측은 상기 금속쉘(4)의 선단면(4a)으로부터 외측으로 돌출된다. 도 2에 명백히 나타낸 바와 같이, 상기 금속쉘(4)의 선단면(4a)으로부터 돌출되는 상기 선단부(3c)의 돌출량(Li)에는 특별한 제한이 없다. 상기 돌출량(Li)은 스파크 플러그(1)의 용도에 따라서 적절하게 결정되며, 예를 들면, 1㎜ 이상으로 설정가능하다. 상기 돌출량(Li)의 상한선은 내연엔진 등의 치수에 따라서 적절하게 결정되며, 예를 들면, 6㎜로 설정가능하다.
상기 스파크 플러그(1)를 내연엔진에 장착할 때 상기 금속쉘(4)의 선단면(4a)으로부터 돌출되는 상기 절연체(3)의 선단부(3c)는 고온에 노출된다. 특히, 상기 스파크 플러그(1)를 최근의 고성능 내연엔진에 장착할 때, 상기 절연체(3)의 선단부(3c)는 보다 높은 온도를 겪게 되어 상기 절연체(3) 자체가 고온에 이르게 된다. 이는 상술한 바와 같은 스파크 플러그(1)의 점화능력 열화를 초래할 수 있다. 상기 절연체(3)가 상기 금속쉘(4)의 선단면(4a)으로부터 전방을 향하여 1㎜ 이상 돌출하게 되는 경우, 누설전류의 발생이 더욱 확연해지므로 상기 스파크 플러그(1)의 점화능력이 상당히 열화될 수 있다. 본 발명에서, 상기 절연체(3)의 선단면으로부터 상기 금속쉘(4)의 선단면(4a)을 포함하는 상기 가상평면 후방으로 적어도 2㎜까지 연장되는 상기 절연체(3)의 영역(3d)은 상술한 바의 알루미나-계 소결체로 형성되어 상기 절연체(3) 내, 특히 상기 선단부(3c) 및 상기 영역(3d)에서, 누설전류의 발생을 방지하게 된다. 상기 스파크 플러그(1)는 그러므로 상기 절연체(3)가 상기 금속쉘(4)의 선단면(4a)으로부터 전방을 향하여 1㎜ 이상 돌출되는 경우에도 양호한 점화능력을 가질 수 있다. 따라서 본 발명의 목적을 해결할 수 있다, 즉, 상기 절연체(3)가 상기 금속쉘(4)의 선단면(4a)으로부터 전방을 향하여 1㎜ 이상 돌출되는 경우에도 양호한 가연성-가스 점화능력을 갖는 스파크 플러그를 제공할 수 있다.
상기 절연체(3)의 벽두께가 상기 나사부(9)의 호칭 직경, 상기 금속쉘(4)의 치수 등에 따라 적절하게 결정되더라도, 상기 절연체(3)가 상기 조건(1)을 만족하는 것, 즉, 상기 절연체(3)가 도 2에 나타낸 바와 같이 상기 금속쉘(4)의 선단면(4a)을 포함하는 상기 가상평면에서 0.3 내지 1.1㎜의 벽두께(T)를 가지는 것이 본 발명에서는 중요하다. 즉, 상기 절연체(3)의 벽두께(T)가 0.3 내지 1.1㎜로 되도록 제어하는 것이 중요하다. 상기 벽두께(T)가 0.3㎜보다 작으면, 상기 절연체(3), 특히, 상술한 바의 영역(3d)은 누설전류를 방지하기에 두께가 너무 작을 수 있다. 상기 벽두께(T)가 1.1㎜을 초과하면, 상기 절연체(3) 내에서 누설전류의 발생을 어느 정도는 방지할 수 있다. 상기 절연체(3), 특히, 상술한 바의 영역(3d)은 그러나 축소된 스파크 플러그에서 사용하기에 두께가 너무 클 수 있다. 그러므로, 예를 들면 상기 나사부(9)의 호칭 직경이 M10 이하로 되도록 상기 스파크 플러그(1)가 축소된 경우, 상기 영역(3d)의 벽두께(T)는 바람직하게는 최대 1.1㎜이다. 상술한 바와 같이, 스파크 플러그(1)의 소형화 및 점화능력 개선의 두 가지 목적을 위하여 상기 벽두께(T)를 0.3 내지 1.1㎜로 제어하는 것이 중요하다. 상기 절연체(3) 내, 특히, 상기 영역(3d)에서 누설전류의 발생을 효과적으로 방지하기 위하여 상기 벽두께(T)는 바람직하게는 0.5 내지 1.1㎜의 범위 이내로 된다.
도 2에 명백히 나타낸 바와 같이, 상기 스파크 플러그(1)의 소위 "점화부"에서 상기 금속쉘(4)의 내주 표면과 상기 절연체(3)의 외주 표면 사이에는 약간의 클리어런스(C)가 형성된다. 여기에서, 상기 금속쉘(4)의 선단면(4a)을 포함하는 상기 가상평면에서, 상기 절연체(3)의 벽두께(T)에 대하여 상기 절연체(3)와 상기 금속쉘(4) 사이의 이격거리(W)의 비율(W/T)은 1 내지 8인 것이 바람직하다. 상기 비율(W/T)이 1보다 작으면, 다음의 문제가 발생할 수 있다. 상기 금속쉘(4)과 상기 절연체(3) 사이의 전압 인가에 따라, 상기 전압이 상기 클리어런스(C)에 존재하는 기체상과 상기 절연체(3) 사이에 분할된다. 그러므로, 상기 절연체(3)에 가해지는 전압이 상기 절연체(3) 내에서 누설전류의 발생을 상당히 감소시키게 되는 경향이 있다. 이는 상기 누설전류의 증가를 초래할 수 있다. 또한, 상기 이격거리(W)는 상기 절연체(3)의 외주 표면과 상기 금속쉘(4)의 내주 표면 사이에 측방향 스파크를 유발하도록 아주 작게 될 수 있고, 따라서 상기 비율(W/T)이 1 미만인 경우 상기 스파크 플러그(1)의 점화능력을 열화시킬 수 있다. 한편, 상기 비율(W/T)이 8을 초과하면 다음의 문제가 발생할 수 있다. 상술한 바와 같이 0.3 내지 1.1㎜의 절연체(3) 벽두께(T)를 확보하기 위하여 상기 금속쉘(4)의 벽두께를 감소시키는 것을 생각해볼 수 있다. 이러한 경우, 그러나, 상기 접지전극(4)이 상기 금속쉘(4)에 소망하는 바대로 부착되지 않을 수 있다. 상기 접지전극(6)의 용접성을 확보하기 위하여 상기 접지전극(6)의 두께를 감소시키는 경우에는 상기 접지전극(6)의 내구성이 열화될 수 있다. 0.3 내지 1.1㎜의 상기 절연체(3) 벽두께(T)를 확보하기 위하여 양자택일적으로 상기 중심전극(3)의 외경을 감소시키는 것을 생각해볼 수 있다. 이러한 경우, 상기 중심전극(3)의 내구성이 상당히 열화될 수 있다. 또한, 상기 비율(W/T)이 8을 초과하면, 치수 제한으로 인하여 상기 나사부(9)의 호칭 직경이 M10 이하로 되도록 상기 스파크 플러그를 축소하는 것이 어렵다. 상기 비율(W/T)이 8을 초과하면, 소형화가 곤란할 뿐만 아니라 상기 스파크 플러그가 적절히 기능할 수도 없다. 상기 비율(W/T)이 1 내지 8의 범위 이내로 될 때, 상기 스파크 플러그는 그의 기본적인 기능을 적절히 유지할 수 있고 축소된 경우에도 점화능력이 개선된다.
상기 절연체(3)는 또한 상기 조건(2)를 만족한다. 즉, 상기 절연체(5)의 선단으로부터 상기 가상평면 후방으로 적어도 2㎜까지 연장되는 상기 절연체(3)의 영역(3d)은 Si 성분, 희토류 원소 성분 및 IUPAC 권고 1990에 의한 주기율표의 적어도 2종의 2족 원소 성분으로서 실질적으로 B 성분이 없는 성분을 포함하는 알루미나-계 소결체로 형성된다. 상기 영역(3d)이 이러한 알루미나-계 소결체로 형성될 때, 상기 영역(3d) 내에서 누설전류의 발생이 효과적으로 방지된다. 본 발명에서는 상기 영역(3d)이 상기 절연체(5)의 선단으로부터 상기 가상평면 후방으로 적어도 2㎜까지 연장되면 충분하다. 상기 영역(3d)은 상기 선단부(3c) 전체, 상기 선단부(3c) 뿐만 아니라 상기 직경-감소부(3b) 또한 포함하는 상기 다리부(3e) 전체, 또는 상기 절연체(3)의 전체로 될 수 있다. 상기 스파크 플러그(1)에서, 상기 절연체(3) 전체는 상기 절연체(3) 제조의 용이성 견지에서 위의 알루미나-계 소결체로 형성된다.
상기 알루미나-계 소결체는 상술한 바와 같이 Si 성분, 희토류 원소 성분 및 IUPAC 권고 1990에 의한 주기율표의 적어도 2종의 2족 원소 성분(이하, 단순히 "2족 원소 성분"으로 칭함)으로서 실질적으로 B 성분이 없는 성분을 포함한다.
상기 알루미나-계 소결체는, 주성분으로서, 일반적으로 알루미나(Al203)와 같은 Al성분을 포함한다. 본 발명에서, 상기 "주성분"은 상기 물질의 전체 성분 중에 최대 함량(질량%)을 갖는 성분을 칭한다. 상기 Al 성분이 주성분으로서 포함된 바, 상기 소결체는 양호한 내전압 특성, 높은 내열성 및 양호한 기계적 특성을 발휘한다. 소결 후 상기 알루미나-계 소결체의 전체량을 100 질량%로 가정할 때, 상기 알루미나-계 소결체 내에 포함된 상기 Al성분의 양은 바람직하게는 85 내지 95 질량%의 범위, 더욱 바람직하게는 92 내지 94 질량%의 범위이다. 상기 Al 성분의 함량이 위의 범위 이내로 될 때, 상기 알루미나-계 소결체는 예를 들면 95% 이상의 상대밀도로 긴밀하게 포장가능하므로, 이러한 알루미나-계 소결체로 형성된 상기 절연체(3)는 양호한 내전압 특성을 발휘한다. 본 발명에서, 상기 Al 성분의 함량은 Al 산화물로서 "알루미나(Al203)"의 면에서 질량%로 주어진다.
상기 Si 성분은 소결조제로부터 유도되어 상기 알루미나-계 소결체 내에서 산화물, 이온 등의 형태로 존재한다. 일반적으로, 액체상을 형성하고 그리하여 상기 소결체의 긴밀한 포장을 강화하기 위한 소결조제의 기능을 수행하도록 상기 Si 성분은 소결 동안 용융된다. 또한, 상기 Si 성분은 종종 알루미나 결정 입자의 입자경계에 저융점 유리를 형성한다. 상기 알루미나-계 소결체가 상기 Si 성분뿐만 아니라 후술되는 바와 같은 나머지 특정 성분을 포함할 때, 상기 Si 성분은, 상기 나머지 성분과 함께, 저융점 유리보다는 고융점 유리를 형성하게 되기가 더욱 쉽다. 상기 알루미나-계 소결체는 그러므로 저온에서 용융되기 어렵고 절연파괴의 원인이 되는 이동(migration) 등을 발생시키기 어렵다. 상기 알루미나-계 소결체 내에 포함된 상기 Si성분의 양은 소결 후 상기 알루미나-계 소결체의 전량을 100 질량%로 가정할 때 바람직하게는 1.0 내지 5.0 질량%의 범위로 된다. 본 발명에서, 상기 Si 성분의 함량은 Si 산화물로서 "Si02"의 면에서 질량%로 주어진다.
상기 희토류 원소 성분(이하, "RE 성분"으로도 칭함) 또한 상기 소결조제로부터 유도되어 상기 알루미나-계 소결체 내에서 산화물, 이온 등의 형태로 존재한다. 상기 RE 성분으로서는, 스칸듐 원소("Sc 원소"로도 칭함), 이트륨 성분("Y 성분"으로도 칭함) 및 란탄족원소 성분이 사용가능하다. 상기 알루미나-계 소결체 내에 포함된 상기 RE 성분의 구체적인 예로는, Sc 성분, Y 성분, 란타늄 성분("La 성분"으로도 칭함), 세륨 성분("Ce 성분"으로도 칭함), 프라세오디뮴 성분("Pr 성분"으로도 칭함), 네오디뮴 성분("Nd 성분"으로도 칭함), 프로메튬 성분("Pm 성분"으로도 칭함), 사마륨 성분 "Sm 성분"으로도 칭함), 유로퓸 성분("Eu 성분"으로도 칭함), 가돌리늄 성분("Gd 성분"으로도 칭함), 테르븀 성분("Tb 성분"으로도 칭함), 디스프로슘 성분("Dy 성분"으로도 칭함), 홀뮴 성분("Ho 성분"으로도 칭함), 에르븀 성분("Er 성분"으로도 칭함), 톨륨 성분("Tm 성분"으로도 칭함), 이테르븀 성분("Yb 성분"으로도 칭함) 및 루테튬 성분("Lu 성분"으로도 칭함)이 있다. 특히, La 성분, Nd 성분, Pr 성분, Y 성분 및 Yb 성분이 상기 RE 성분으로서 바람직하다.
상기 RE 성분은, 소결 중 상기 알루미나-계 소결체 내에 포함될 때, 과도한 알루미나 입자 성장을 방지하는 기능을 하며, 입자 경계에서 상기 Si 성분과 함께 유리상을 형성한다. RE 성분을 포함하는 유리상은 높은 융점을 가지므로, RE 성분-포함 유리와 같은 형성은 고온 조건하에서의 상기 알루미나-계 소결체의 내전압 특성 및 상기 알루미나-계 소결체의 고온강도에 개선으로 이어진다. La, Nd, Pr, Y 및 Yb의 작은 이온 반경으로 인하여, 상기 La 성분, 상기 Nd 성분, 상기 Pr 성분, 상기 Y 성분 및 상기 Yb 성분은 각각 상기 Si 성분과 함게 높은-용융 결정상을 형성할 수 있고, 동시에, 헥사알루미네이트 결정상처럼, 상기 Al 성분과 함께 2000℃의 높은 융점을 갖는 알루민산염 결정상을 용이하게 형성할 수 있다. 상기 알루민산염 결정에 대한 구체적인 설명은 후술된다.
상기 알루미나-계 소결체 내에 포함된 상기 RE 성분의 양은 알루민산염 결정상의 형성 및 상기 원료물질 분말의 소결성(sinterability)의 관점에서 적절히 조정된다. 예를 들면, 소결 후 상기 알루미나-계 소결체의 전량을 100 질량%로 가정할 때 상기 RE 성분의 함량은 바람직하게는 0.2 내지 5.0 질량%의 범위 이내로 된다. 본 발명에서, 상기 RE 성분의 함량은 RE 원소 산화물의 면에서 질량%로 주어진다. 보다 구체적으로, 상기 RE 성분이 La, Nd, Y 또는 Yb 성분일 때, 상기 RE 성분의 함량은 RE 원소 산화물로서 "RE203"의 면에서 질량%로 주어진다. 상기 RE 성분이 Pr 성분일 때, 상기 RE 성분의 함량은 Pr 산화물로서 "Pr6011"의 면에서 질량%로 주어진다. 상기 알루미나-계 소결체에 2종 이상의 RE 성분이 포함될 때, 상기 RE 성분의 함량은 각각의 상기 RE 성분의 함량의 합을 칭한다.
상기 2족 원소 성분 또한 상기 소결조제로부터 유도된다. 상기 2족 원소 성분은 마그네슘 성분 "Mg 성분"으로도 칭함), 칼슘 성분("Ca 성분"으로도 칭함), 스트론튬 성분("Sr 성분"으로도 칭함) 및 바륨 성분("Ba 성분"으로도 칭함)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 2종을 포함하는 것이 특히 바람직하다. 2족 원소 성분으로서 위의 성분 중 임의의 2가지가 상기 알루미나-계 소결체 내에 포함될 때, 상기 알루미나-계 소결체로 형성된 절연체(3)는 누설전류를 효과적으로 방지할 수 있다. 상기 알루미나-계 소결체로 하여금 높은 소결성 및 양호한 내전압 특성을 얻도록 하고 보다 높은-온도 조건 하에서 누설전류를 방지하도록 하기 위해서는 상기 2족 원소 성분으로서 위의 성분 중 3가지를 포함하는 것이 특히 바람직하다. 상기 알루미나-계 소결체의 조성 및 밀도와 같은 물성이 동일할 때, 상기 2족 원소 성분의 이동 발생 가능성은 Ba 성분> Sr 성분> Ca 성분> Mg 성분의 순으로 감소된다. 이동 발생 가능성을 감소시키기 위해서, 상기 입자경계에 형성되는 유리로 하여금 높은 전압 인가 하에서 높은 절연 특성을 보일 수 있도록 하여 절연파괴(electrical breakdown)의 발생 가능성을 감소시키기 위해서 그리고 상기 절연체(3)의 온도가 예를 들면 800℃ 이상에 오르는 극한 조건 하에서도 상기 절연체(3) 내에서 누설전류의 발생을 방지하기 위해서는, 상기 2족 원소 성분으로서 상기 Ba 성분을 포함하는 것이 특히 더욱 바람직하다. 달리 말하자면, 상기 2족 원소 성분은, 바람직하게는, 여러 종류의 성분과의 조합에서 필수 성분으로서 상기 Ba 성분을 포함한다. 예를 들면, 주성분으로서의 Ba 성분 뿐만 아니라 Ba 성분 이외에도 2족 원소 성분으로서 적어도 2종의 위의 성분 또한 선택하는 것이 더욱 바람직하며, 더욱 더 바람직하게는 주성분으로서의 Ba 성분 뿐만 아니라 Ba 성분 이외에도 적어도 3종의 위의 성분, 즉 위의 성분 전체를 선택하는 것이 바람직하다.
상기 Mg 성분은 상기 소결조제로부터 유도되며, 상기 알루미나-계 소결체 내에 산화물, 이온 등의 형태로 존재하여, 상기 Si 성분의 경우에서와 마찬가지로 상기 소결조제의 기능을 수행하게 된다. 각각의 상기 Ba 성분, 상기 Ca 성분 및 상기 Sr 성분 역시 상기 소결조제로부터 유도되며, 상기 알루미나-계 소결체 내에 산화물, 이온 등의 형태로 존재하여, 상기 Mg 성분의 경우에서와 마찬가지로 상기 소결조제의 기능을 수행할 뿐만 아니라 상기 알루미나-계 소결체의 고온 강도를 개선하는 기능을 수행하게 된다. 그러므로, 상기 2족 원소 성분의 첨가는 상기 알루미나-계 소결체의 내전압 특성 및 고온 강도를 개선가능하게 하고 상기 알루미나-계 물질의 소결 온도를 저하시킨다.
상기 알루미나-계 소결체가 비교적 큰 입자 크기의 원료물질 분말로부터 생산될 때에도 긴밀하게 포장될 수 있도록 하고 상기 알루미나-계 소결체의 절연체에 양호한 내전압 특성을 부여하기 위해서는, 상기 알루미나-계 소결체의 전량을 100%로 가정할 때, 상기 알루미나-계 소결체 내에 포함된 2-군 원소 성분의 양은 바람직하게는 1.0 내지 5.0 질량%이다.
상기 Mg, Ba, Ca 및 Sr 성분의 함량의 합이 위의 범위 이내로 되도록 상기 Mg 성분의 함량, 상기 Ba 성분의 함량, 상기 Ca의 함량 및 상기 Sr 성분의 함량을 제어하는 것으로 충분하다. 예를 들면, 상기 알루미나-계 소결체의 전량을 100%로 가정할 때, 상기 Mg 성분의 함량, 상기 Ba 성분의 함량, Ca의 함량 및 상기 Sr 성분의 함량은 바람직하게는 각각 0.01 내지 0.5 질량%, 0.1 내지 1.6 질량%, 0.1 내지 0.9 질량% 및 0.2 내지 0.9 질량%의 범위 이내로 된다. 본 발명에서, 각각의 2족 원소 성분의 함량은 "MgO", "BaO", "CaO" 또는 "SrO"와 같은 2족 원소 산화물면에서의 질량%로 주어지며; 그리고 상기 2족 원소 성분의 함량은 상기 각각의 2족 원소 성분의 함량의 합을 칭한다.
상기 알루미나-계 소결체는 예를 들면 입계상에 B 성분을 실질적으로 포함하지 않는다. 상기 B 성분이 소결 중에 상기 소결조제의 기능을 수행하더라도, B2O3와 같은 B 성분 산화물은, 상기 Al 성분, 상기 Si 성분 및/또는 상기 2족 원소 성분과 함께, 알루미나 결정 입자의 입자 경계에서 B-산화물-불포함 유리보다 낮은 융점을 갖는 저-융점 유리를 더욱 형성하기 쉽다. 상기 B 성분이 상기 알루미나-계 소결체에 포함되지 않은 때, 상기 저-융점 B-산화물-포함 유리보다는 고-융점이 형성된다. 그러므로, 상기 유리의 연화는 상기 B 성분이 상기 알루미나-계 소결체 내에 포함될 때보다 상기 B 성분이 상기 알루미나-계 소결체 내에 포함되지 않을 때에 덜 발생된다. 이는 상기 절연체(3) 내에 누설전류가 발생되지 않게 할 것이다. 이는, 상기 알루미나-계 소결체가 실질적으로 상기 B 성분을 포함하지 않을 때, 상기 B 성분이 상기 알루미나-계 소결체에 분명히 첨가되지 않음을 의미한다. 이는 상기 B 성분이 불가피한 불순물로서 포함되는 경우를 배제하지 않는다.
상기 Al 성분, 상기 Si 성분, 상기 희토류 원소 성분 및 상기 2족 원소 성분을 포함하는 알루미나-계 소결체는 상기 조건(5)를 만족한다. 즉, 상기 알루미나-계 소결체는 상기 희토류 원소 성분을 포함하는 알루민산염 결정상을 갖는다. 상기 알루민산염 결정은 높은 융점을 보이고, p-알루미나 구조를 가지며 "헥사알루민산염 결정"으로도 불리운다. 상기 알루민산염 결정의 조성식은 RE(2A)x(Al)yOz 이다(여기에서, x = 0 내지 2.5; Y = 11 내지 16; z = 18 내지 28; 그리고 2A는 IUPAC 권고 1990에 따른 주기율표의 2족 원소를 나타낸다). 상기 알루민산염 결정상의 구체적인 예로는 REAl11O18 등으로 표시되는 바가 있다.
본 발명에서, 상기 희토류 원소 성분을 포함하는 상기 알루민산염 결정상은 희토류 원소 성분을 포함하지 않는 알루민산염 결정상으로 대체될 수 있다. 알루민산염 결정상과 마찬가지로, 조성식:(2A)x(Al)yOz(여기에서 x, y 및 z는 위에서 정의한 바와 동일함)으로 표시되는 2족 원소 성분을 포함하는 알루민산염 결정상을 사용가능하다. 상기 2족 원소 성분을 포함하는 알루민산염 결정상의 구체적인 예로는 화학식: MgAl120, CaAl12019 등으로 표시되는 바가 있다.
상기 알루민산염 결정상이 상기 알루미나-계 소결체 내에 존재하면 충분하다. 상기 알루미나-계 소결체 내 상기 알루민산염 결정상의 위치에는 특별한 제한이 없다. 그러나, 상기 알루민산염 결정상이 상기 알루미나-계 소결체의 내측에 연장되는 것이 바람직하다. 특히 상기 알루민산염 결정상이 알루미나 결정 입자의 2-입자 경계 및/또는 3중합점에 존재하는 것이 바람직하다. 상기 알루민산염 결정상은, 상기 입자 경계에 존재할 때, 상기 입자 경계에서 상기 유리성분의 연화를 방지하는 기능을 하여 상기 유리상 내에서 전류의 흐름을 발생할 가능성이 낮다. 이는 유리상의 연화로 인한 누설전류의 발생을 방지가능하게 한다. 상기 알루미나-계 소결체가 RE 성분으로서 상기 La 성분, 상기 Nd 성분, 상기 Pr 성분, 상기 Y 성분 및 상기 Yb 성분 중 적어도 하나를 포함할 때, 상기 고-융점 알루민산염 결정이 상기 알루미나-계 소결체 내에 형성된다. 이러한 알루미나-계 소결체의 절연체(3)는 그러므로 양호한 내전압 특성 및 고온 강도를 얻을 수 있고 누설전류를 방지할 수 있다.
상기 알루민산염 결정상의 존재는, 예를 들면, JCPDS 카드를 사용하는 X-선 회절에 의하여 식별가능하다. 상기 Pr 및 Nd 성분의 JCPDS 카드가 없으면, X-선 회절에 의하여 상기 Pr 및 Nd 성분을 직접적으로 식별하는 것이 불가능하다. 그러나, 상기 Pr 또는 Nd 성분을 포함하는 알루민산염 결정은 Pr3 + 및 Nd3 +의 이온반경이 La3 +의 이온반경과 실질적으로 동일하다는 사실로 인하여 La 성분을 포함하는 알루민산염 결정의 JCPDS 카드(번호 33-699)와 유사한 X-선 회절 스펙트럼을 보인다. 그러므로 상기 Pr 또는 Nd 성분을 포함하는 알루민산염 결정의 존재는 상기 X-선 회절 스펙트럼을 La 성분을 포함하는 알루민산염 결정의 JCPDS 카드와 비교함으로써 확인가능하다. 소성 동안에는 상기 입자의 이방성 성장이 발생될 가능성이 적으므로 소성 중 증착에 의하여 알루민산염 결정을 형성하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 누설전류의 발생을 효과적으로 방지하기 위해서는 X-선 회절 스펙트럼에서 알루미나로 인한 최고-강도 피크 대 알루민산염 결정으로 인한 최고-강도 피크의 강도 비율[알루민산염/알루미나]이 0.04 이상으로 되도록 상기 알루민산염 결정이 상기 알루미나-계 소결체 내에 존재한다. 특히 강도 비율이 0.06 이상으로 되도록 상기 알루민산염 결정이 상기 알루미나-계 소결체 내에 존재하는 것이 바람직하다. 상기 강도 비율[알루민산염/알루미나]의 상한선에는 특별한 제한이 없고, 예를 들면, 0.2로 설정가능하다. 상기 강도 비율[알루민산염/알루미나]은 상기 X-선 회절 스펙트럼에서 알루민산염 결정으로 인한 피크 강도를 알루미나로 인한 피크 강도로 나눔으로써 결정된다. 상기 알루미나-계 소결체의 X-선 회절 측정은 20 내지 70°의 측정 각도 범위, 30 kV의 전압, 15 rnA의 전류, 1의 스캔 속도 및 0.02의 스텝 조건 하에서, 예를 들면, 리가쿠사(Rigaku) 제조의 X-선 회절기기 "미니플레스(MiniFlex)"를 사용함으로써 수행가능하다.
Al 성분, Si 성분, 희토류 원소 성분 및 2족 원소 성분을 포함하는 상기 알루미나-계 소결체는 2족 원소 성분을 포함하는 규산염 결정상을 더욱 갖는다. 상기 규산염 결정상의 구체적인 예로는 화학식:(2A)Si03(여기에서 2A는 IUPAC 권고 1990에 따른 주기율표의 2족 원소를 나타냄)) 등으로 표시되는 것들이 있다. 상기 규산염 결정상은 상기 알루미나-계 소결체 내에 존재하는 것으로 충분하다. 알루미나-계 소결체 내에서 상기 규산염 결정상의 위치에는 특별한 제한이 없다. 그러나, 상기 규산염 결정상이 상기 알루미나-계 소결체 내측에 연장되는 것이 바람직하다. 특히 상기 규산염 결정상이 알루미나 결정 입자의 2-입자 경계 및/또는 3중합점에 존재하는 것이 바람직하다. 상기 규산염 결정상은, 상기 입자 경계에 존재할 때, 누설전류를 방지하는 기능을 한다.
상기 규산염 결정상의 존재 또한, 예를 들면, JCPDS 카드를 사용하는 X-선 회절에 의하여 식별가능하다. 소성 동안에는 상기 입자의 이방성 성장이 발생될 가능성이 적으므로 소성 중 증착에 의하여 상기 규산염 결정상을 형성하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 누설전류의 발생을 방지하기 위해서는, 상기 X-선 회절 스펙트럼에서 알루민산염 결정으로 인한 최고-강도 피크에 대하여 상기 규산염 결정으로 인한 최고-강도 피크의 강도 비율[규산염/알루민산염]은 0.32 이상이 되도록 상기 규산염 결정이 상기 알루미나-계 소결체 내에 존재한다. 상기 강도 비율[규산염/알루민산염]은, 상기 X-선 회절 스펙트럼에서, 상기 규산염 결정으로 인한 최고-강도 피크의 피크 강도를 상기 알루민산염 결정으로 인한 최고-강도 피크의 피크 강도로 나눔으로써 결정된다. 상기 강도 비율[규산염/알루민산염]의 상한선에는 특별한 제한이 없고, 예를 들면, 0.8로 설정가능하다. 상기 알루미나-계 소결체의 X-선 회절 측정은 상술한 바와 동일한 조건 하에서 수행된다.
Al 성분, Si 성분, 희토류 원소 성분 및 2족 원소 성분을 포함하는 상기 알루미나-계 소결체는 조건(3)을 만족한다. 즉, 상기 알루미나-계 소결체 내에서 상기 Si 성분, 상기 2족 원소 성분 및 상기 희토류 원소 성분(산화물 면에서)의 전체 질량에 대한 상기 희토류 원소 성분(산화물 면에서)의 질량의 비율(RRE)은 0.15 내지 0.45이다. 상기 희토류 원소 성분의 질량의 비율(RRE)이 0.15보다 작으면, 0.04 이상의 강도 비율[알루민산염/알루미나]을 얻도록 알루민산염 결정이 형성될 수 없고 누설전류의 발생을 방지할 수 없다. 상기 희토류 원소 성분의 질량의 비율(RRE)이 0.45를 초과하면, 상기 원료물질 분말의 소결성이 열화될 수 있으므로, 결과적인 알루미나-계 소결체가 다공성으로 되어 상기 누설전류의 발생을 증가시킬 수 있다. 그러므로, 본 발명에서 긴밀하게 포장된 알루미나-계 소결체의 입자 경계에서 알루민산염 결정상의 형성에 의하여 상기 절연체(3) 내 누설전류의 발생을 방지하기 위해서는 상기 질량 비율(RRE)이 0.15 내지 0.45의 범위 이내로 되는 것이 중요하다. 누설전류를 효과적으로 방지하기 위하여 상기 질량 비율(RRE)은 바람직하게는 0.2 내지 0.45의 범위 이내이다.
Al 성분, Si 성분, 희토류 원소 성분 및 2족 원소 성분을 포함하는 알루미나-계 소결체는 또한 상기 조건(4)를 만족한다. 즉, 상기 알루미나-계 소결체 내에서 상기 Si 성분(산화물 면에서)의 질량에 대한 상기 2족 원소 성분(산화물 면에서)의 전체 질량의 비율(R2)은 0.25 이상이다. 상기 질량 비율(R2)이 0.25보다 작으면, 상기 원료물질 분말의 소결성이 열화될 수 있으므로, 결과적인 알루미나-계 소결체가 다공성으로 되어 상기 알루미나-계 소결체의 기공 내 전기장 집중으로 인하여 상기 누설전류의 발생을 증가시킬 수 있다. 그러므로, 본 발명에서 긴밀하게 포장된 알루미나-계 소결체의 입자 경계에서 알루민산염 결정상 및/또는 규산염 결정상의 형성에 의하여 상기 절연체(3) 내 누설전류의 발생을 방지하기 위해서는 상기 질량 비율(R2)이 0.25 이상으로 되는 것이 중요하다.
2족 원소 성분의 이동이 덜한 상기 알루민산염 결정상 및/또는 규산염 결정상은 질량 비율(R2)이 0.25 내지 1.0의 범위 이내일 때 용이하게 형성가능하다. 또한, 상기 알루민산염 결정상 및/또는 규산염 결정상의 존재량은 위의 범위 이내로 제어가능하다. 그러므로, 상기 절연체(3)의 온도가 예를 들면 800℃ 이상에 이르는 극한 조건 하에서도 상기 절연체(3) 내 누설전류의 발생을 방지하기 위해서는 상기 질량 비율(R2)이 바람직하게는 0.25 내지 1.0의 범위 이내로 된다. 따라서, 본 발명의 목적을 달성할 수 있다, 즉, 상기 질량 비율(R2)이 0.25 내지 1.0의 범위 이내로 될 때 상기 절연체(3)의 온도가 800℃ 이상에 이르는 고온 범위에서도 양호한 가연성-가스 점화능력을 갖는 스파크 플러그를 제공할 수 있다.
상기 알루미나-계 소결체 내에서 Al 성분, Si 성분, RE 성분 및 2족 원소 성분 각각의 함량은 정량분석, 형광 X-선 분석, 또는 전자탐침미세분석기(electron probe microanalyzer, EPMA)나 에너지분산형 미세분석기(energy dispersive type microanalyzer, EPMA/EDS)를 이용하는 화학분석에 의하여 산화물 면에서 질량 또는 질량%의 단위로 측정가능하다. 본 발명에서, 정량분석, 형광 X-선 분석 또는 화학분석에 의한 상기 알루미나-계 소결체의 측정 결과는 상기 알루미나-계 소결체의 형성에 사용되는 원료분말 물질의 조성과 대략 일치한다.
상기 알루미나-계 소결체는 실질적으로 Al 성분, Si 성분, RE 성분 및 2족 원소 성분으로 형성된다. 여기에서, 상기 "실질적으로"라는 용어는 상술한 바의 성분 이외의 성분이 능동적으로 첨가되지 않음을 의미한다. 상기 알루미나-계 소결체는 그러므로 본 발명의 목적을 저해하지 않는 범위 내에서 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 상기 불가피한 불순물의 예로는 Na, S, N 등이 있다. 상기 불가피한 불순물의 함량은 가능한 한 작은 것이 바람직하다. 보다 구체적으로, 상기 불가피한 불순물의 함량은 상기 Al 성분, Si 성분, 2족 원소 성분 및 RE 성분의 전체 질량의 100질량부에 대하여 1질량부 이하인 것이 바람직하다. 상기 알루미나-계 소결체는, 상기 불가피한 불순물, 상기 Al 성분, 상기 Si 성분, 상기 2족 원소 성분 및 상기 RE 성분에 더하여, Ti 성분, Mn 성분, Ni 성분 등과 같은 기타 소량의 성분을 포함할 수 있다.
상기 알루미나-계 소결체는 긴밀하게 포장된 구조, 보다 구체적으로는, 95% 이상의 상대밀도("이론상의 밀도 비율"로도 칭함)로 되는 것이 바람직하다. 상대밀도가 95% 이상일 때, 상기 알루미나-계 소결체는 파괴(breakdown)의 시작점이 되는 기공을 거의 갖지 않도록 매우 긴밀히 포장된다. 알루미나-계 소결체와 같은 절연체(3)는 상기 절연체(3) 내에서 절연파괴가 거의 일어나지 않으므로 양호한 내전압 특성을 달성할 수 있다. 특히, 보다 나은 내전압 특성을 달성하기 위해서는 상기 알루미나-계 소결체가 95.5% 이상의 상대밀도를 갖는 것이 바람직하다. 여기에서, 상기 이론상의 밀도는 산화물 면에서 각각의 상기 성분의 함량으로부터 혼합규칙에 기초하여 결정되는 바의 알루미나-계 소결체의 밀도를 칭하며; 그리고 상기 상대밀도는 상기 이론상의 알루미나-계 소결체의 밀도에 대하여 아르키메데스의 원리(Archimedes principle)에 기초하여 측정된 알루미나-계 소결체의 밀도의 비율로서 백분율로 표현되는 비율을 칭한다. 상기 알루미나-계 소결체의 상대밀도의 상한선은 그러므로 100%이다. 상기 상대밀도가 더욱 높을수록, 상기 알루미나-계 소결체는 더욱 긴밀하게 포장된다.
상기 스파크 플러그(1)에서, 상기 절연체(3) 전체가 알루미나-계 소결체로 형성되므로 상기 절연체(3)의 조성 및 특성은 상기 알루미나-계 소결체의 그것들과 동일하다. 상술한 바와 같이, 상기 스파크 플러그(1)는 조건(1) 내지 (5)를 모두 만족하며, 알루민산염 결정-포함 알루미나-계 소결체로 형성되는 절연체(3)를 갖는다. 상기 절연체(3) 내 누설전류의 발생은 그러므로 상기 스파크 플러그(1)가 축소된 경우에도 방지가능하다. 따라서, 본 발명에서는 스파크 플러그가 축소된 때에도 양호한 가연성-가스 점화능력을 갖는 스파크 플러그를 제공할 수 있고, 상기 절연체(3) 내 누설전류를 방지함으로써 양호한 가연성-가스 점화능력을 갖는 축소된 스파크 플러그를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 스파크 플러그가 최근의 복잡한 내연엔진, 고-출력 내연엔진 또는 축소된 내연엔진에 장착된 때에도 양호한 가연성-가스 점화능력을 갖는 축소된 스파크 플러그를 제공할 수 있다. 더욱이, 본 발명에서는 상기 절연체(3)가 800℃ 이상의 고온으로 가열되는 내연엔진에 상기 스파크 플러그가 장착될 때에도 양호한 가연성-가스 점화능력을 갖는 축소된 스파크 플러그를 제공할 수 있다.
본 발명은 다음을 특징으로 한다: 절연체의 알루미나-계 소결체 내에서 각각의 성분의 함량은 질량 비율(RRE) 및(R2)을 만족하도록 그리고 유리상 내에 알루민산염 결정을 형성하도록 제어된다; 그리고, 상기 절연체(3)의 벽두께(T)는 상술한 바와 같은 소정의 범위 이내로 제어된다. 이들 특징으로 인하여, 상기 스파크 플러그(1)는 상기 절연체(3) 내 누설전류를 방지할 수 있고 상기 스파크 플러그(1)가 축소된 때에도 양호한 점화능력을 확보할 수 있다.
본 발명에 의한 스파크 플러그의 제조방법은 원료물질 분말을 준비하고, 준비된 원료물질 분말을 소정몸체로 프레스-성형하고, 프레스-성형체를 소결함으로써 절연체를 제조하는 것으로 이루어지며, 상기 원료물질 분말은 주성분으로서의 Al 화합물 분말, Si 화합물 분말, 희토류 원소 화합물 분말 및 IUPAC 권고 1990에 의한 주기율표의 적어도 2종의 2족 원소의 화합물 분말을 포함하며 B 화합물 분말을 포함하지 않는 원료물질 분말을 준비하고, 상기 준비된 원료물질 분말을 소정 몸체로 프레스-성형하고, 상기 프레스-성형체를 소결함으로써 상기 절연체를 제작하는 단계를 포함한다. 본 발명에 의한 스파크 플러그의 제조방법은 아래에 상세히 설명된다.
상기 스파크 플러그의 제조방법에 있어서, 우선 상기 원료 분말, 즉, 상기 Al 화합물 분말, 상기 Si 화합물 분말, 상기 희토류 원소 화합물 분말 및 상기 2족 원소 화합물 분말을 함께 슬러리로 혼합함으로써 원료물질 분말을 준비한다. 경우에 따라, 상기 Al 성분과 동일한 물질의 분말, 상기 Si 성분과 동일한 물질의 분말, 상기 RE 성분과 동일한 물질의 분말 및 상기 2족 원소 성분과 동일한 물질의 분말을 함께 혼합할 수도 있다.(이들 분말 또한 "원료분말"로 칭함.) 각각의 상기 원료 분말의 혼합비율은 각각의 상기 성분의 조성비율과 동일하게 설정가능하다. 상기 원료물질 분말의 균일한 혼합상태를 보장하고 매우 긴밀히 포장된 소결체를 제조하기 위해서는 상기 원료 분말의 혼합을 바람직하게는 8 시간 이상 수행한다.
상기 Al 화합물 분말이 소결 중에 Al 성분으로 전환가능하다면 상기 Al 화합물 분말에는 특별한 제한이 없다. 일반적으로, 알루미나(Al203) 분말이 상기 Al 화합물 분말로 사용된다. 비록 상기 Al 화합물 분말이 사실상 불가피한 불순물을 포함할 수 있지만 높은 순도의 Al 화합물 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 Al 화합물 분말의 순도는 바람직하게는 99.5% 이상이다. 상기 알루미나-계 소결체의 긴밀한 포장을 위하여 상기 Al 화합물 분말이 0.1 내지 5.0 의 평균입도를 갖는 것 역시 일반적으로 바람직하다. 여기에서 상기 평균입도는 레이저 회절(니키소사(Nikkiso Co., Ltd.)로부터 가용한 마이크로트랙(microtrack) 입도분석기(MT-3000) 사용)에 의하여 결정된다.
상기 Si 화합물 분말이 소결 중에 Si 성분으로 전환가능하다면 상기 Si 화합물 분말에는 특별한 제한이 없다. 상기 Si 화합물 분말로서는 Si의 산화물(복합 산화물 포함), 수산화물, 탄산염, 염화물, 황산염, 질산염 및 인산염의 다양한 무기질 분말이 사용가능하다. 일반적으로는, SiO2 분말이 상기 Si 화합물 분말로 사용된다. 상기 Si 화합물 분말이 산화물 분말 이외의 기타 종류의 분말인 경우에는, 사용된 Si 화합물 분말의 양이 산화물 면에서 질량%로 계산된다. 상기 Si 화합물 분말의 순도 및 평균입도는 상기 Al 화합물 분말의 그것들과 기본적으로 비슷하다.
상기 희토류 원소 화합물 분말이 소결 중에 RE 성분으로 전환가능하다면 상기 희토류 원소 화합물 분말에는 특별한 제한이 없다. 예를 들면, 희토류 원소의 산화물 및 복합 산화물 분말을 상기 희토류 원소 화합물 분말로서 사용가능하다. 상기 희토류 원소 화합물 분말이 산화물 분말 이외의 기타 종류의 분말인 경우에는, 사용된 희토류 원소 화합물 분말의 양이 산화물 면에서 질량%로 계산된다. 상기 희토류 원소 화합물 분말의 순도 및 평균입도는 상기 Al 화합물 분말의 그것들과 기본적으로 비슷하다.
또한, 상기 2족 원소 화합물 분말이 소결 중에 2족 원소 성분으로 전환가능하다면 상기 2족 원소 화합물 분말에는 특별한 제한이 없다. 2족 원소의 산화물(복합 산화물 포함), 수산화물, 탄산염, 염화물, 황산염 및 인산염의 다양한 무기질 분말이 사용가능하다. 상기 2족 원소 화합물 분말은 적어도 2종의 화합물의 혼합된 분말, 바람직하게는 적어도 3종의 화합물의 혼합된 분말이다. 특히, 상기 2족 원소 화합물 분말이 Ba 화합물 분말을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 2족 원소 성분 화합물 분말의 바람직한 조합은 상기 알루미나-계 소결체 내의 상기 2족 원소 성분의 그것들과 기본적으로 동일하다. 상기 2족 원소 화합물 분말의 구체적인 예는: MgO 분말 및 MgCO3 분말과 같은 Mg 화합물 분말; BaO 분말 및 BaCO3 분말과 같은 Ba 화합물 분말; CaO 분말 및 CaCO3 분말과 같은 Ca 화합물 분말; 및 SrO 분말 및 SrO3 분말과 같은 Sr 화합물 분말이 있다. 상기 2족 원소 화합물 분말이 산화물 분말 이외의 기타 종류의 분말인 경우에는, 사용된 2족 원소 화합물 분말의 양이 산화물 면에서 질량%로 계산된다. 상기 2족 원소 화합물 분말의 순도 및 평균입도는 상기 Al 화합물 분말의 그것들과 기본적으로 비슷하다.
본 발명의 스파크 플러그의 제조방법에 있어서, 상기 원료물질 분말은 Al 화합물 분말, Si 화합물 분말, 상기 2족 원소 화합물 분말 및 희토류 원소 화합물 분말을 이들 각 화합물 분말의 평균입도 및 입자분포 관점에서 다음의 조건(A)을 만족하는 방식으로 혼합함으로써 준비하는 것이 바람직하다. 이하, 상기 원료물질 분말이 조건(A)을 만족하는 방식으로 준비되는 본 발명에 의한 스파크 플러그의 제조방법을 "바람직한 스파크 플러그의 제조방법"으로 칭할 수 있다.
조건(A): 상기 원료물질 분말에서 10% 부피 직경의 입자와 90% 부피 직경의 입자 사이의 입도분포 비율(90% 부피 직경/10% 부피 직경)은 3.6 내지 5.2이다.
상기 입도분포 비율(90% 부피 직경/10% 부피 직경)이 3.6 내지 5.2일 때, 상기 알루미나-계 소결체는 높은 상대밀도를 유지할 수 있도록 그리고 조건(5)에 따른 알루민산염 결정의 바람직한 증착뿐만 아니라 규산염 결정의 바람직한 증착 또한 허용할 수 있도록 높은 반복성으로 생산가능하다. 상기 입도분포 비율(90% 부피 직경/10% 부피 직경)이 3.6 미만이면, 상기 원료물질 분말의 입자 크기가 너무 작아서 상기 원료물질 분말이 과도한 소결을 겪을 수 있다. 상기 원료물질 분말에서 입자의 반응성(reactivity) 또한 너무 높아서 알루민산염 결정보다는 유리상이 상기 알루미나-계 소결체에 형성될 수 있다. 그러므로, 경우에 따라 상기 알루미나-계 소결체는 높은 상대밀도를 유지할 수 있도록 그리고 알루민산염 결정의 바람직한 증착뿐만 아니라 선택적으로 규산염 결정의 증착을 허용할 수 있도록 상기 원료물질 분말의 소결에 의하여 높은 반복성으로 생산될 수 없다. 상기 알루미나-계 소결체 내에 알루민산염 결정보다 유리상이 형성되면, 상기 알루미나-계 소결체가 알루미나 입자 등의 비정상적인 성장으로 인하여 충분한 강도를 제공할 수 없고 누설전류의 효과적인 방지에 실패하여 충분한 내전압 특성을 제공할 수 없다. 한편, 상기 입도분포 비율(90% 부피 직경/10% 부피 직경)이 5.2를 초과하면, 상기 원료물질 분말에서 입자의 반응성이 너무 낮아서 상기 원료물질 분말의 소결성, 나아가, 상기 알루미나-계 소결체의 상대밀도에 열화를 유발할 수 있다. 그러므로, 상기 알루미나-계 소결체는 경우에 따라 높은 상대밀도를 유지할 수 있도록 그리고 알루민산염 결정의 바람직한 증착뿐만 아니라 선택적으로 규산염 결정의 증착을 허용할 수 있도록 상기 원료물질 분말의 소결에 의하여 높은 반복성으로 생산될 수 없다. 만일 상기 알루미나-계 소결체 내에 알루민산염 결정 및/또는 규산염 결정가 전혀 또는 덜 형성되는 경우에는, 상기 알루미나-계 소결체가 점화능력, 내전압, 소결성, 강도 등을 적절히 제공할 수 없다. 상술한 바와 같이, 상기 조건(A)에 따라 상기 원료 분말로부터 상기 원료물질 분말을 준비하는 것은 높은 상대밀도를 가지며 알루민산염 결정의 바람직한 증착 및 선택적인 규산염 결정의 증착을 허용하는 알루미나-계 소결체의 높은-반복적 생산, 즉, 후술되는 바와 같이 누설전류가 거의 발생하지 않는 절연체(3)의 높은-반복적 생산을 이끈다. 따라서, 양호한 가연성-가스 점화능력을 갖는 스파크 플러그의 고-수율 제조를 가능하게 하는 것이 가능하다.
본 발명의 바람직한 스파크 플러그의 제조방법에서, 상기 원료물질 분말 내 입자의 전체 부피를 100%로 가정할 때, 입자 크기와 입자의 누적 부피 사이의 관계를 나타내는 누적 곡선을 결정할 때, 상기 10% 부피 직경 및 상기 90% 부피 직경은, 상기 누적 곡선에서 입자의 누적 부피가 10%에 이르는 입자 크기 및 상기 누적 곡선에서 입자의 누적 부피가 90%에 이르는 입자 크기를 각각 칭한다. 상기 원료물질 분말 내 입자의 입자 크기는 레이저 회절(니키소사로부터 가용한 마이크로트랙 입도분석기(MT-3000) 사용)에 의하여 측정가능하다.
상기 스파크 플러그의 제조방법에서 그리고, 특히, 상기 바람직한 스파크 플러그의 제조방법에서, 상기 원료물질 분말은 결과적인 알루미나-계 소결체가 조건(3)을 만족할 수 있도록 다음의 조건(B)을 만족하는 방식으로 상기 Al 화합물 분말, 상기 Si 화합물 분말, 상기 2족 원소 화합물 분말 및 상기 희토류 원소 화합물 분말을 혼합함으로써 준비하는 것이 바람직하다.
조건(B): 상기 2족 원소 화합물 분말 및 상기 희토류 원소 화합물 분말(산화물 면에서)의 전체 질량에 대하여 상기 희토류 원소 화합물 분말(산화물 면에서)의 질량의 질량 비율(RRE)은 바람직하게는 0.15 내지 0.45, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 0.45이다.
상기 스파크 플러그의 제조방법에서 그리고, 특히, 상기 바람직한 스파크 플러그의 제조방법에서, 상기 원료물질 분말은 결과적인 알루미나-계 소결체가 조건(4)을 만족할 수 있도록 다음의 조건(C)을 만족하는 방식으로 상기 Al 화합물 분말, 상기 Si 화합물 분말, 상기 2족 원소 화합물 분말 및 상기 희토류 원소 화합물 분말을 혼합함으로써 준비하는 것이 바람직하다.
조건(C): 상기 Si 화합물 분말(산화물 면에서)의 질량에 대하여 상기 2족 원소 화합물 분말(산화물 면에서)의 전체 질량의 질량 비율(R2)은 바람직하게는 0.25 이상, 더욱 바람직하게는 0.25 내지 1.0이다.
상기 원료 분말을 혼합한 이후에, 상기 결과적인 원료물질 분말은 상기 원료물질 분말의 슬러리를 형성하기 위하여 용매에 분산 및 친수성 결합제에 혼합될 수 있다. 즉, 상기 친수성 결합제는 상기 원료물질 분말에 바인더로서 첨가가능하다. 상기 친수성 결합제의 예로는 폴리비닐알코올, 수용성 아크릴수지, 아라비아 고무, 덱스트린 등이 있다. 상기 원료물질 분말을 분산시키기 위한 용매의 예로는 물, 알코올 등이 있다. 각각의 상기 친수성 결합제 및 상기 용매는 단일로 또는 그의 2종 이상의 조합으로 사용가능하다. 상기 친수성 결합제의 사용되는 양은 상기 원료물질 분말의 100 질량부 당 일반적으로 0.1 내지 7 질량부, 바람직하게는 1 내지 5 질량부이다. 상기 용매의 사용되는 양은 상기 원료물질 분말의 100 질량부 당 일반적으로 40 내지 120 질량부, 바람직하게는 50 내지 100 질량부이다.
이러한 방식으로-얻어진 슬러리는 예를 들면 1.4 내지 5 의 평균입도를 가지며 바람직하게는 3.6 내지 5.2 입도분포 비율(90% 부피 직경/10% 부피 직경)을 갖는다. 더욱 바람직하게는 상기 슬러리는 상기 조건(B) 및 (C) 중 적어도 한 가지를 만족한다.
이어서, 상기 슬러리를 분무건조하여 30 내지 200 ㎛, 바람직하게는 50 내지 150 ㎛의 평균입도로 입자화한다. 이러한 평균입도는 레이저 회절(니키소사로부터 가용한 마이크로트랙 입도분석기(MT-3000) 사용)에 의하여 얻어진 측정값을 칭한다.
상기 입자화된 원료물질 분말은 예를 들면 고무 프레스 성형(rubber press forming)에 의하여 성형체(green compact body)로 성형된다. 상기 성형체는 예를 들면 레지노이드 숫돌(resinoid grindstone)로 연마하여 형상화한다. 상기 성형체가 비교적 큰 평균입도의 입자화된 분말로 형성되므로, 상기 성형체는 양호한 작업성을 발휘하며 그러므로 높은 생산성으로 소정 형상으로 용이하게 연마가능하다.
상기 성형체는, 원하는 형상으로의 연마 이후 공기 중에서 1 내지 8 시간 동안 1450 내지 1650℃로 소성에 의하여 소결되고, 그리고나서, 소성에 의하여 유약으로 마무리된다. 이로써, 상기 알루미나-계 소결체는 완성된다. 상기 소성온도가 1450 내지 1650℃일 때, 상기 알루미나-계 소결체는 상기 소결체의 적절한 긴밀한 포장 및 상기 알루미나 성분의 비정상적인 입자 성장이 덜함으로 인하여 내전압 특성 및 기계적 강도가 확보될 수 있다. 상기 이러한 방식으로-얻어진 알루미나-계 소결체는 다시 원하는 바대로 형상화가능하다. 이러한 방식으로, 상기 스파크 플러그(1)의 절연체(3)는 상기 알루미나-계 소결체로 제작된다.
상기 스파크 플러그(1)는, 예를 들면, 다음의 절차에 의하여 제조된다. 상기 중심전극(2) 및 상기 접지전극(6)은 Ni-계 합금과 같은 전극물질을 소정형상 및 치수로 가공함으로써 각각 제작된다. 상기 전극물질의 준비 및 가공은 연속적으로 수행가능하다. 예를 들면, 원하는 조성의 용융 Ni-계 합금을 진공 용해로로 준비하고, 상기 용융 N-계 합금을 잉곳으로 진공-주조하고, 그리고나서, 상기 잉곳을 열간작업, 인발 등에 의하여 소정형상 및 치수로 적절하게 형성함으로써 각각의 상기 중심전극(2) 및 상기 접지전극(6)을 제작하는 것도 가능하다. 양자택일적으로, 상기 로드-형상 내부 전극 부재(8)를 상기 컵-형상의 외부 전극 부재(7) 내에 삽입하고 결과적인 전극물질을 압출과 같은 소성 작업(소성 작업)에 가함으로써 상기 중심전극(2)을 제작할 수도 있다.
상기 금속쉘(4) 또한 소성 작업 등으로 소정의 형상 및 치수로 제작할 수 있다. 상기 접지전극(6)은 전기저항 용접 등에 의하여 상기 금속쉘(4)의 선단면에 그의 일단이 접합된다. 또한, 상기 중심전극(2)은 주지의 공정에 의하여 상기 절연체(3)에 고정된다. 그리고나서 상기 절연체(3)는 상기 접지전극(6)이 접합된 상기 금속쉘(4)에 고정된다. 상기 접지전극(6)은 상기 접지전극(6)의 타단이 상기 중심전극(2)의 선단에 대향되도록 그의 전방측이 만곡된다. 이로써, 상기 스파크 플러그(1)가 완성된다.
상기 스파크 플러그의 제조방법에서 그리고, 특히, 상기 바람직한 스파크 플러그의 제조방법에서, 각각의 상기 중심전극(2), 상기 절연체(3), 상기 금속쉘(4) 및 상기 접지전극(6)의 형상 및 치수는 상기 조건(1) 및 상기 이격거리 비율(W/T) 및 위에 예시된 상기 스파크 플러그(1)의 구조와 같은 조건 또는 치수를 만족하도록 제어가능하다.
상기 스파크 플러그의 제조방법에서 그리고, 특히, 상기 바람직한 스파크 플러그의 제조방법은 상기 조건(A)을 만족하도록 혼합된 원료물질 분말을 준비하고, 그리고나서, 상기 준비된 원료물질 분말을 소결함으로써 상기 절연체를 제작하는 단계를 포함한다. 이는 높은 상대밀도를 가지며 상기 알루민산염 결정의 바람직한 증착 및 선택적인 상기 규산염 결정의 증착을 허용하는 알루미나-계 소결체의 높은-반복성 생산, 즉, 상기 절연체(3)를 갖는 스파크 플러그의 제조를 위하여 누설전류가 거의 발생하지 않는 상기 절연체(3)의 높은-반복성 생산을 이끌어낸다. 상술한 바와 같이, 상기 스파크 플러그의 제조방법에서 그리고, 특히, 상기 바람직한 스파크 플러그의 제조방법에서, 상기 스파크 플러그는 상기 절연체(3) 내에서 누설전류를 거의 발생시키지 않고 상기 조건(1) 내지 (5)를 모두 만족시킴으로써 양호한 가연성-가스 점화능력을 달성하도록 제조가능하다. 특히, 상기 바람직한 스파크 플러그의 제조방법에서, 상기 알루민산염 결정은 상기 알루미나-계 소결체 내의 누설전류 발생을 효과적으로 방지하기 위하여 상기 알루미나-계 소결체 내에서 높은 반복성으로 바람직하게 증착될 수 있다. 이는, 벽두께(T)에 대한 조건(1) 및 벽두께(T)에 대한 이격거리(W)의 비율(W/T)이 상술한 바의 범위 이내로 되지 않을 경우에도 그리고 상기 스파크 플러그(1)의 예시된 구조가 만족되지 않을 때에도, 누설전류를 거의 발생시키지 않는 절연체(3)를 갖는 스파크 플러그의 고-수율 제조를 가능하게 한다. 따라서, 양호한 가연성-가스 점화능력을 갖는 스파크 플러그의 고-수율 제조방법을 제공하는 것이 가능하다.
상기 스파크 플러그의 제조방법에서 그리고, 특히, 상기 바람직한 스파크 플러그의 제조방법에서는, 상기 절연체가 통상적인 스파크 플러그에서 사용하도록 설계될 때뿐만 아니라 축소된 스파크 플러그에서의 사용을 위하여 두께가 감소될 때에도 상술한 바와 같은 절연체에서 누설전류가 발생하지 않게 된다. 그러므로, 상기 절연체(3)의 벽두께가 본 발명에 의한 스파크 플러그의 제조방법 그리고, 특히, 상기 바람직한 스파크 플러그의 제조방법에서 상기 나사부(9)의 호칭 직경, 상기 금속쉘(4)의 치수 등에 따라 적절히 결정된다. 예를 들면, 상기 절연체(3)가 축소된 스파크 플러그에서 사용될 때 상기 절연체(3)의 벽두께(T)는 바람직하게는 0.3 내지 1.1㎜이다. 상기 절연체(3)의 벽두께(T)에 대한 상기 절연체(3) 및 상기 금속쉘(4) 사이의 이격거리의 비율(W/T) 또한 본 발명에 의한 스파크 플러그의 제조방법 그리고, 특히, 상기 바람직한 스파크 플러그의 제조방법에서 적절히 결정된다. 예를 들면, 축소된 스파크 플러그에서 상기 이격거리(W)의 비율(W/T)은 바람직하게는 1 내지 8이다. 본 발명에 의한 스파크 플러그의 제조방법 그리고, 특히, 상기 바람직한 스파크 플러그의 제조방법에서는, 상기 중심전극(2)이 상기 절연체(3) 내에 보유될 때, 도 1 및 2에 도시된 스파크 플러그(1)의 경우에서와 마찬가지로, 상기 내부 전극 부재(8)가 적어도 상기 금속쉘(4)의 선단면(4a)을 포함하는 가상평면까지 또는 그 너머로 연장되도록 그리고 더욱 바람직하게는 상기 가상평면의 전방측까지 연장되도록, 상기 외부 전극 부재(7) 내에 상기 내부 전극 부재(8)를 매설함으로써 상기 중심전극(2)을 형성할 때, 보다 높은 온도의 극한 조건 하에서도 상기 스파크 플러그가 높은 내열성을 달성할 수 있고 누설전류를 방지할 수 있다. 그러므로, 본 발명에서는 양호한 가연성-가스 점화능력을 갖는 스파크 플러그의 고-수율 제조방법을 제공하는 것이 가능하다. 본 발명에 의한 스파크 플러그의 제조방법 그리고, 특히, 상기 바람직한 스파크 플러그의 제조방법에서는 상술한 바와 같은 원료물질 분말로부터 상기 절연체(3)를 제작하므로, 상기 스파크 플러그는 상기 절연체(3)가 상기 금속쉘(4)의 선단면(4a)으로부터 전방을 향하여 1㎜ 이상 돌출되는 경우에도 양호한 가연성-가스 점화능력을 달성할 수 있다. 그러므로, 본 발명에서는 상기 절연체(3)가 상기 금속쉘(4)의 선단면(4a)으로부터 전방을 향하여 1㎜ 이상 돌출되는 경우에도 양호한 가연성-가스 점화능력을 달성하도록 소망하는 바대로 높은 수율로 스파크 플러그를 제조하는 방법을 제공하는 것이 가능하다.
본 발명에 의한 스파크 플러그의 제조방법 그리고, 특히, 상기 바람직한 스파크 플러그의 제조방법에서는, 누설전류가 발생하지 않는 절연체를 소망하는 바대로 높은 수율로 제작하는 것이 가능하다. 즉, 상기 절연체가 통상적인 스파크 플러그에서 사용하도록 설계될 때뿐만 아니라 상기 절연체가 축소된 스파크 플러그에서의 사용을 위하여 두께가 감소될 때에도 상기 절연체 내에서 누설전류의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다. 그러므로, 본 발명에서는 예를 들면 상기 나사부(9)의 호칭 직경이 M10 이하로 되도록 상기 스파크 플러그가 축소된 때에도 양호한 가연성-가스 점화능력을 달성하기 위하여 소망하는 바대로 높은 수율로 스파크 플러그를 제조하는 방법을 제공하는 것 및 상기 절연체(3) 내에서 누설전류의 발생을 크게 방지하고 양호한 가연성-가스 점화능력을 달성하기 위하여 소망하는 바대로 높은 수율로 축소된 스파크 플러그를 제조하는 방법을 제공하는 것이 가능하다.
본 발명에서는 스파크 플러그가 최근의 복잡한 내연엔진, 고-출력 내연엔진 또는 축소된 내연엔진에 장착된 때에도 양호한 가연성-가스 점화능력을 갖는 축소된 스파크 플러그를 고-수율로 제조하는 방법 또한 제공할 수 있다. 더욱이, 본 발명에서는 상기 절연체(3)가 800℃ 이상의 고온으로 가열되는 내연엔진에 스파크 플러그(3)가 장착될 때에도 양호한 가연성-가스 점화능력을 갖는 축소된 스파크 플러그를 고-수율로 제조하는 방법도 제공할 수 있다.
본 발명에 의한 스파크 플러그는 가솔린 엔진과 같은 자동차 내연엔진에 사용된다. 상기 스파크 플러그는 상기 내연엔진의 연소실을 구획하는 실린더 헤드의 나사홀에 상기 나사부(9)를 삽입함으로써 상기 내연엔진 상의 제위치에 고정된다.
본 발명에 의한 스파크 플러그 및 본 발명에 의한 스파크 플러그의 제조방법은 위의 실시예에 한정되지 않으며 본 발명의 목적을 달성하는 범위 내에서 수정가능하다. 비록 상기 스파크 플러그(1)는 상기 중심전극(2) 및 상기 접지전극(6)이 제공되지만, 상기 중심전극의 선단부 및/또는 상기 접지전극의 표면에 귀금속팁이 접합될 수도 있다. 상기 중심전극의 선단부에 접합된 귀금속팁 및 상기 접지전극의 표면에 접합된 귀금속팁 각각은 일반적으로 적절히 조정된 치수의 원통형 형상으로 형성된다. 상기 귀금속팁은 레이저 용접 또는 전기저항 용접과 같은 임의의 적절한 용접공정에 의하여 상기 중심전극의 선단부 및 상기 접지전극의 표면에 융합가능하다. 이 경우, 상기 중심전극의 선단부에 접합된 귀금속팁 및 상기 접지전극의 표면에 접합된 귀금속팁의 사이에는 스파크갭이 구획된다. 상기 귀금속팁의 물질로서는 Pt, Pt 합금, Ir 및 Ir 합금과 같은 귀금속 물질을 사용할 수 있다.
예
(알루미나-계 소결체의 제조)
알루미나 분말, Si 화합물 분말, 2족 원소 화합물 분말로서 Ca 화합물 분말, Mg 화합물 분말, Ba 화합물 분말 및 Sr 화합물 분말 중 한 가지, 희토류 원소 화합물 분말 및 선택적으로 B 화합물 분말(표본 번호 2)을 혼합함으로써 원료물질 분말을 준비하였다(상기 원료물질 분말의 준비를 위하여 혼합된 원료 분말의 종류는 표 1에 나타낸다). 상기 알루미나 분말의 평균입도는 2.1인 반면, 상기 Si 화합물 분말, 상기 2족 원소 화합물 분말 및 상기 희토류 원소 화합물 분말 각각의 평균입도는 상술한 바의 범위 이내로 하였다. 폴리비닐알코올과 같은 친수성 결합제 및 용매로서의 물을 첨가하여 상기 원료물질을 슬러리로 형성하였다.
상기 슬러리를 분무건조하여, 약 100 ㎛의 평균입도를 갖는 구형 입자로 상기 원료물질 분말을 입자화하였다. 상기 입자화된 원료물질 분말을 고무 프레스 성형에 의하여 절연체 전구체로서의 성형체로 성형하였다. 상기 성형체를 1450 내지 1650℃의 소성온도 및 1 내지 8 시간의 소성시간 조건 하에서 공기 중에서 소성함으로써 소결하였다. 그 후, 상기 소결성형체를 유약으로 소성함으로써 마무리하였다. 표본 번호 1 내지 55의 알루미나-계 소결체 각각을 위의 절차로 제작하였다. 소성 조건은 위의 범위 내에서 동일하게 설정하였다. 표 1-1 및 표 1-2에서,(*)로 표시된 표본은 조성에 대한 조건(2), 질량 비율(RRE)에 대한 조건(3), 질량 비율(R2)에 대한 조건(4) 및/또는 조건(5)를 만족하지 못한 비교예이다(표 1-1 및 표 1-2는 함께 "표 1"로 칭할 수 있다.)
(성분양의 측정)
상기 알루미나-계 소결체의 조성, 즉, 상기 알루미나-계 소결체에 포함된 성분 각각의 양을 EPMA를 사용한 정량분석으로 측정하였다. 상기 절연체 내에서 각각의 상기 성분의 측정된 함량의 합을 100 질량%로 가정하여, 각각의 상기 성분의 각각의 함량을 질량부(mass%) 단위로 결정하였다. "상기 알루미나-계 소결체의 조성(산화물 면에서의 질량%)"의 측정 결과는 표 1에 나타낸다. 상기 Si 성분, 상기 2족 원소 성분 및 상기 희토류 원소 성분의 함량의 합을 "전체 소결조제량(산화물 면에서의 질량%)"으로서 결정하였다. 상기 전체 소결조제량의 결정 결과는 표 1에 나타낸다. 또한, 상기 질량 비율(RRE 및 R2)을 결정하였다. 상기 질량 비율(RRE 및 R2)의 결정 결과는 표 1에 나타낸다. 여기에서, 표 1에 나타낸 바와 같은 각각의 상기 성분의 함량은 혼합된 상기 원료 분말의 양과 일치하였다.
(상대밀도의 측정)
표본 번호 1 내지 55의 알루미나-계 소결체 각각을 다음의 절차대로 상대밀도에 대하여 테스트하였다. JIS R1634(1998)에 정의된 겉보기 밀도 측정 방법에 의하여 아르키메데스의 원리에 기초한 알루미나-계 소결체의 밀도를 측정하였다. 혼합규칙에 기초한 알루미나-계 소결체의 밀도 역시 측정하였다. 그리고나서, 상기 혼합규칙에 기초한 알루미나-계 소결체의 밀도에 대한 상기 아르키메데스의 원리에 기초한 알루미나-계 소결체의 밀도의 비율을 상대밀도로서 결정하였다. 상기 상대밀도의 결정 결과는 표 1에 나타낸다.
(알루민산염 결정상)
표본 번호 1 내지 55의 알루미나-계 소결체 각각을 다음의 절차대로 알루미나 결정의 존재에 대하여 테스트하였다. 상기 알루미나-계 소결체의 단면을 연마하고, 그리고나서, 리가쿠사(Rigaku) 제조의 X-선 회절기기(모델: 미니플레스(MiniFlex))를 사용함으로써 상술한 바의 방법으로 X-선 회절에 의하여 분석하였다. 상기 X-선 회절 분석도와 JCPDS 카드와의 비교에 의하여 상기 알루미나-계 소결체 내에서 상기 알루민산염 결정상의 존재 또는 부재를 결정하였다. 또한, 상술한 바의 방법에 의한 X-선 회절 분석도로부터 강도 비율[알루민산염/알루미나]을 결정하였다(상기 강도 비율[알루민산염/알루미나]은 표 1에서 "알루민산염 결정상: 강도 비율"로 칭함). 그 결과를 표 1에 나타낸다. 표 1에서, 부호 "○"는 상기 알루민산염 결정상의 존재를 나타내며; 그리고 부호 "×"는 상기 알루민산염 결정상의 부재를 나타낸다.
(규산염 결정상)
표본 번호 1 내지 55의 알루미나-계 소결체 각각을 상기 알루미나 결정의 존재 결정에서와 동일한 방식으로 X-선 회절에 의하여 분석하였다. 상기 X-선 회절 분석도와 JCPDS 카드와의 비교에 의하여 상기 알루미나-계 소결체 내에서 상기 규산염 결정상"(2A)SiO3(여기에서 2A는 IUPAC 권고 1990에 따른 주기율표의 2족 원소를 나타냄)"의 존재 또는 부재를 결정하였다.(상기 규산염 결정상은 표 1에서 "2ASiO3"로 칭함.) 또한, 상술한 바의 방법에 의한 X-선 회절 분석도로부터 강도 비율[규산염/알루미나]을 결정하였다.(상기 강도 비율[규산염/알루미나]은 표 1에서 "2ASiO3 결정상: 강도 비율"로 칭함). 그 결과를 표 1에 나타낸다. 표 1에서, 부호 "○"는 상기 규산염 결정상의 존재를 나타내며; 그리고 부호 "×"는 상기 규산염 결정상의 부재를 나타낸다.
(누설전류 평가테스트 1)
표본 번호 1 내지 49의 알루미나-계 소결체를 사용하여 도 1 및 2의 스파크 플러그(1)를 제조하였다. 각각의 상기 스파크 플러그(1)에서, 상기 나사부(9)의 호칭 직경은 M14로 하였고; 조건(1) 내지 (5)를 모두 만족하였다; 상기 비율(W/T)은 1 내지 8의 범위 이내였고; 상기 절연체(3)의 돌출량(Li)은 상술한 바의 범위 이내였다; 그리고, 상기 중심전극(2)은 대부분 동으로 형성되며 상기 가상평면의 전방측으로 연장되는 코어로서의 내부 전극 부재(8)을 가졌다.
한편, 누설전류 평가테스트용 스파크 플러그 표본(이하, "평가테스트 플러그"로도 칭함)으로서 도 3의 스파크 플러그(101)를 상기 스파크 플러그(1)와 기본적으로 동일한 방식으로 제조하였다. 이들 평가테스트 플러그(101)는 표본 번호 1 내지 49의 알루미나-계 소결체로 형성되는 절연체(103)를 가졌다. 여기에서 상기 절연체(103)의 벽두께(T)는 표 2에 나타낸 바대로 제어하였다. 각각의 상기 평가테스트 플러그(101)에서, 상기 나사부(9)의 호칭 직경은 상기 벽두께(T)를 1.5㎜ 이하로 제어하기 위하여 M14로 표준화하였다. 상기 절연체(103)의 다리부(3e)의 외경 및 상기 금속쉘(104) 선단부의 개구부 직경은 상기 벽두께(T)와는 무관하게 동일한 테스트 조건을 설정하기 위하여 변경하였다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 평가테스트 플러그(101)에는 접지전극을 제공하지 않았으므로 상기 중심전극(102)이 스파크 방전을 발생하지 않았으며; 그리고 그의 선단부를 포함하는 상기 중심전극(102)은 상기 절연체(103)로 전체적으로 커버하였다, 즉 상기 절연체(103) 내에 매설하였다. 위의-구조로 된 평가테스트 플러그(101)는 상기 비율(W/T)을 1.5로 한 것을 제외하고는 위에-제조된 스파크 플러그(1)와 기본적으로 동일하였다. 상술한 바와 같이, 상기 누설전류 평가테스트 1은 동일한 테스트 조건 하에서 수행하였다. 상기 평가테스트 플러그(101)의 소형화가 가능하였던 값으로 상기 벽두께(T)가 설정된 경우에도 상기 평가테스트 플러그(101)를 그 중 어느 것도 축소하지 않았다. 각각의 상기 평가테스트 플러그(101)에서 상기 나사부(9)의 호칭 직경은 M14로 표준화하였다. 상기 누설전류 평가테스트 1에서 상기 스파크 플러그의 소형화 가능성은 상기 나사부(9)의 호칭 직경을 M14로 설정하였다는 사실과 무관하다.
평가테스트 엔진(1.3-리터 4-실린더 엔진, 플러그 홀 직경: MI4)을 더욱 마련하였다. 2개의 플러그 표본, 즉, 상기 스파크 플러그(1) 및 상기 평가테스트 플러그(101)를 상기 평가테스트 엔진의 하나의 실린더에 장착하였다. 이 상태에서, 상기 평가테스트 플러그(101)의 코어(105)에 28 kV의 전압을 인가하기 위하여 전압을 상기 금속쉘(104) 및 상기 코어(105)의 사이에, 즉, 상기 평가테스트 플러그(101)의 중심전극(102)의 내부 전극 부재에 위치시켰다. 상기 스파크 플러그(1)의 금속쉘(4)과 중심전극(2) 사이에도 위와 동일한 방식으로 전압을 위치시켰다. 여기에서 전압의 인가는 상기 스파크 플러그(1)용 스파크 방전 전원을 이용하여 60 Hz로 수행하였다.
이어서, 상기 스파크 플러그(1)에 의한 연료의 점화에 따라 상기 평가테스트 엔진을 개시하였다. 상기 엔진의 회전속도를 6600 rpm으로 유지하면서, 상기 평가테스트 플러그(101)의 금속쉘(104)에 대향되는 상기 절연체(103)의 온도가 목표 온도(보다 구체적으로, 700℃)로 제어되도록 상기 평가테스트 엔진의 부스트 압력 및 점화 타이밍을 조정하였다. 상기 부스트 압력 및 점화 타이밍의 조정 조건은 열전대(thermocouple)를 갖는 온도-확인 플러그를 사용하여 미리 결정하였다. 상기 부스트 압력 및 점화 타이밍의 조정은 이러한 조건을 채택함으로써 수행하였다.
이 상태에서, 상기 평가테스트 엔진을 작동시켰다. 엔진 작동 중, 측정된 전압이 28 kV의 인가전압보다 떨어졌는지 아닌지를 판단하기 위하여 상기 평가테스트 플러그(101)에 가해진 전압을 500회 측정하였다. 측정된 전압이 28 kV의 인가전압보다 1 kV 이상 더 낮았을 때, 동시에, 통상의 스파크 방전의 파괴 파형을 나타내는 관통방전(penetrating discharge)이 오실로스코프에 의하여 검출되지 않았을 때, 누설전류의 발생을 판단하였다.
각각의 평가테스트 플러그(101)에 대하여 3개의 표본에 대해서 위의 테스트를 수행하였다. 측정된 전압이 28 kV의 인가전압보다 1 kV 이상 더 낮았던 산술평균 횟수의 면에서 상기 평가테스트 플러그(101)를 평가하였고, 평가 기준은 다음과 같았다: 측정된 전압이 28 kV의 인가전압보다 1 kV 이상 더 낮았던 횟수가 1% 미만이거나 1%와 같았을 때에는 "◎"이고; 측정된 전압이 28 kV의 인가전압보다 1 kV 이상 더 낮았던 횟수가 1%를 초과하고 10% 미만이거나 10%와 같았을 때에는 "○"이며; 그리고 측정된 전압이 28 kV의 인가전압보다 1 kV 이상 더 낮았던 횟수가 10%를 초과하였을 때에는 "×"이다. 상기 평가결과는 표 2에 나타낸다.
| 표 2 | |
| T(㎜) | 표본1 표본2 표본3 표본4 표본5 표본6 표본7 표본8 표본9 표본10 |
| 0.2 0.3 0.5 0.7 1.1 1.5 |
× × × × × × × × × × × × × × × × × × ○ ○ × × × × × × × × ○ ○ × × × × × × × × ○ ○ × × × × × × × × ○ ○ ◎ ◎ × × × × ◎ ◎ ◎ ◎ |
| T(㎜) | 표본11 표본12 표본13 표본14 표본15 표본16 표본17 표본18 표본19 표본20 |
| 0.2 0.3 0.5 0.7 1.1 1.5 |
× × × × × × × × × × ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ × × ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ○ ◎ ◎ × × ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ○ ◎ ◎ × × ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ○ ◎ ◎ × × ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ × × |
| T(㎜) | 표본21 표본22 표본23 표본24 표본25 표본26 표본27 표본28 표본29 표본30 |
| 0.2 0.3 0.5 0.7 1.1 1.5 |
× × × × × × × × × × × × × ○ ○ ○ ○ × × × × × × ○ ◎ ◎ ◎ × × × × × × ○ ◎ ◎ ◎ × × × × × × ○ ◎ ◎ ◎ × × × × × × ◎ ◎ ◎ ◎ × × × |
| T(㎜) | 표본31 표본32 표본33 표본34 표본35 표본36 표본37 표본38 표본39 표본40 |
| 0.2 0.3 0.5 0.7 1.1 1.5 |
× × × × × × × × × × ○ ○ ○ ○ × × × ○ ○ ○ ○ ◎ ◎ ◎ × × × ○ ◎ ◎ ○ ◎ ◎ ◎ × × × ○ ◎ ◎ ○ ◎ ◎ ◎ × × × ○ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ × × × ◎ ◎ ◎ |
| T(㎜) | 표본41 표본42 표본43 표본44 표본45 표본46 표본47 표본48 표본49 |
| 0.2 0.3 0.5 0.7 1.1 1.5 |
× × × × × × × × × ○ × × × ○ ○ ○ ○ × ◎ × × × ○ ◎ ◎ ◎ × ◎ × × × ○ ◎ ◎ ◎ × ◎ × × × ○ ◎ ◎ ◎ × ◎ × × × ◎ ◎ ◎ ◎ × |
표 2에 나타낸 바와 같이, 조건(1) 내지 (5)를 모두 만족한 평가테스트 플러그(101)의 누설전류 평가결과는 "○" 또는 그보다 나았다. 이들 평가테스트 플러그(101)에서는 누설전류를 방지하는 것이 가능하였다. 특히, 질량 비율(RRE)이 0.2 내지 0.45이었던 평가테스트 플러그(101)는 벽두께(T)가 0.3 내지 1.1㎜로 감소되더라도 "○" 또는 "◎"로 평가되었다. 그러므로, 이들 각각의 평가테스트 플러그(101)에서는 누설전류를 효과적으로 방지하는 것이 가능하였다. 이들 결과에 의하여 스파크 플러그가 축소된 경우에도 조건(1) 내지 (5)를 모두 만족시킴으로써 상기 스파크 플러그가 누설전류를 효과적으로 방지할 수 있고 양호한 가연성-가스 점화능력을 달성할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
조건(1) 내지 (5) 중 적어도 어느 하나가 만족되지 못한 평가테스트 플러그(101)의 누설전류 평가결과는 "×"이었다. 이들 평가테스트 플러그(101)에서는 누설전류를 방지하는 것이 불가능하였다.
(누설전류 평가테스트 2)
평가테스트 플러그(101)용 절연체(103)를 제작하였고, 그 각각은 표본 번호 12의 알루미나-계 소결체로 형성된 특정 선단 영역을 가졌다. 보다 구체적으로, 한 가지 유형의 절연체(103)에서, 상기 절연체(103)의 선단으로부터 상기 가상평면(0㎜)까지 연장되는 영역은 표본 번호 12의 알루미나-계 소결체로 형성하였다. 기타 유형의 절연체(103)에서, 상기 절연체(103)의 선단으로부터 상기 가상평면 후방으로 1㎜, 2㎜ 또는 3㎜까지 연장되는 영역은 표본 번호 12의 알루미나-계 소결체로 형성하였다. 표본 번호 12의 알루미나-계 소결체를 형성하기 위한 소정 양의 원료물질 분말 및 상기 알루미나-계 소결체의 조성을 만족시키지 못하는 원료물질 분말을 사용하여, 상기 절연체(3)와 기본적으로 동일한 방식으로 각각의 상기 절연체(103)를 제작하였다.
이들 절연체(103)를 사용하여, 상기 누설전류 평가테스트 1에서와 기본적으로 동일한 방식으로 평가테스트 플러그(101)(벽두께(T): 0.5㎜)를 제조하였다. 상기 누설전류 평가테스트 1에서와 기본적으로 동일한 방식으로 누설전류의 발생에 대하여 각각의 상기 평가테스트 플러그(101)를 테스트하였다. 상기 절연체(103)의 선단으로부터 상기 가상평면 후방으로 2㎜ 또는 3㎜까지 연장되는 영역이 표본 번호 12의 알루미나-계 소결체로 형성된 평가테스트 플러그(101)의 누설전류 평가결과는 "◎"이었다. 이들 평가테스트 플러그에서는 누설전류를 방지하는 것이 가능하였다. 한편, 상기 절연체(103)의 선단으로부터 상기 가상평면(0㎜)까지 또는 상기 가상평면 후방으로 1㎜까지 연장되는 영역이 표본 번호 12의 알루미나-계 소결체로 형성된 평가테스트 플러그(101)의 누설전류 평가결과는 "×"이었다. 이들 평가테스트 플러그에서는 누설전류를 방지하는 것이 불가능하였다.
(누설전류 평가테스트 3)
표본 번호 1 내지 3 및 7 내지 18의 알루미나-계 소결체로 형성되는 절연체(103)를 갖는 평가테스트 플러그(101)를 상기 누설전류 평가테스트 1에서와 기본적으로 동일한 방식으로 제조하였다. 상기 평가테스트 플러그(101)의 금속쉘(104)에 대향되는 상기 절연체(103)의 온도가 800℃로 제어되도록 상기 평가테스트 엔진의 부스트 압력 및 점화 타이밍을 조정한 것을 제외하고는 상기 누설전류 평가테스트 1에서와 기본적으로 동일한 방식으로 누설전류의 발생에 대하여 이들 각각의 평가테스트 플러그(101)를 테스트하였다. 상기 평가결과를 표 3에 나타낸다.
| 표 3 | ||||
| T(㎜) |
표본 | |||
| 1 2 3 | 7 8 9 10 | 11 12 13 14 15 | 16 17 18 | |
| 0.2 0.3 0.5 0.7 1.1 1.5 |
× × × × × × × × × × × × × × × ◎ ◎ × |
× × × × × × × × × × × × × × × × × × × × ◎ ◎ ◎ ◎ |
× × × × × ○ ○ ○ ○ ○ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ |
× × × × × × × × × × × × × × × ◎ ◎ ◎ |
표 3으로부터 명백한 바와 같이, 상기 절연체(103)가 표본 번호 11 내지 15의 알루미나-계 소결체로 형성된 각각의 상기 평가테스트 플러그(101)에서는, 각각, 상기 절연체(103)의 벽두께(T)가 0.3 내지 1.1㎜로 감소되었을 때에도 상기 절연체(103)가 800℃의 고온으로 가열되는 조건 하에서 누설전류를 효과적으로 방지하는 것이 가능하였다. 상기 절연체(103)의 벽두께(T)가 0.5㎜로 감소되었을 때 특히 효과적으로 누설전류를 방지하는 것이 가능하였다. 이들 결과에 의하면, 조건(1) 내지 (5)를 모두 만족할 때, 특히, 상기 질량 비율(RRE 및 R2)이 조건(3) 및 (4)에 의하여 상술한 바의 바람직한 범위 이내로 될 때에는, 스파크 플러그가 축소되고 800℃의 고온에 가해지는 경우에도 상기 스파크 플러그가 누설전류를 효과적으로 방지할 수 있고 양호한 가연성-가스 점화능력을 달성할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
(누설전류 평가테스트 4)
기본적으로 상기 누설전류 평가테스트 1에서와 동일한 방식으로, 표본 번호 11(벽두께(T) = 0.7㎜), 표본 번호 12(벽두께(T) = 0.3㎜ 및 0.7㎜) 및 표본 번호 15(벽두께(T) = 0.7㎜)의 알루미나-계 소결체를 사용하여 절연체(103)를 제작하였다. 위에-제작된 절연체(102)를 선단 개구부 직경이 적절히 조정된 금속쉘(104)과의 조합으로 사용하여 평가테스트 플러그(101)를 제작하였다. 이들 평가테스트 플러그(101)에서, 상기 비율(W/T)은 표 4에 나타낸 바와 같이 설정하였다. 상기 평가테스트 엔진의 작동 중 상기 평가테스트 플러그(101)에 가해지는 전압을 측정하기 위하여 상기 누설전류 평가테스트 3에서와 기본적으로 동일한 방식으로 각각의 상기 평가테스트 플러그(101)를 테스트하였다. 측정된 전압이 상기 인가된 전압보다 1 kV 이상 낮았던 횟수가 50에 이를 때까지 상기 평가테스트 플러그(101)를 연속적으로 방전 작동시킴으로써, 측정된 전압이 상기 인가된 전압보다 1 kV 이상 낮았던 횟수가 50에 이르렀을 때 28 kV의 인가전압과 측정된 전압 사이의 전압 강하를 결정하였다. 상기 평가결과를 표 4에 나타낸다.
| 표 4 | |||||||
| 표본11 T=0.7 | 표본12 T=0.3 | 표본12 T=0.7 | 표본15 T=0.7 | ||||
| W/T | 전압 강하 (㎸) |
W/T | 전압 강하 (㎸) |
W/T | 전압 강하 (㎸) |
W/T | 전압 강하 (㎸) |
| 0.43 | 8.8 | 0.33 | 11.2 | 0.43 | 8.5 | 0.43 | 9.0 |
| 0.57 | 8.0 | 0.67 | 10.6 | 0.57 | 7.8 | 0.57 | 8.3 |
| 0.71 | 7.7 | 0.83 | 10.4 | 0.71 | 7.6 | 0.71 | 7.9 |
| 1.00 | 4.7 | 1.00 | 6.0 | 1.00 | 4.5 | 1.00 | 5.0 |
| 1.43 | 4.0 | 1.67 | 5.4 | 1.43 | 4.0 | 1.43 | 4.5 |
| 2.14 | 4.1 | 2.33 | 5.0 | 2.14 | 3.9 | 2.14 | 4.3 |
| 2.86 | 4.0 | 3.00 | 5.1 | 2.86 | 3.8 | 2.86 | 4.0 |
| 3.57 | 3.9 | 4.00 | 5.2 | 3.57 | 3.8 | 3.57 | 4.1 |
표 4에 나타낸 바와 같이, 상기 전압 강하는 6 kV 이하였으므로, 상기 비율(W/T)이 1보다 크거나 1이었을 때 상기 절연체(103)의 벽두께(T)가 0.3㎜ 또는 0.7㎜로 감소되었던 평가테스트 플러그(101)에서도 누설전류를 방지하는 것이 가능하였다.
(누설전류 평가테스트 5)
상기 누설전류 평가테스트 1에서와 기본적으로 동일한 방식으로 표본 번호 1, 2, 8, 9, 12 및 15의 알루미나-계 소결체로 형성된 절연체(103)를 갖는 평가테스트 플러그(101)를 제작하였다. 이들 평가테스트 플러그(101)에서, 상기 비율(W/T)은 1.0으로 설정하였고; 상기 절연체(103)의 벽두께(T)는 표 5에 나타낸 바대로 제어하였으며; 그리고 상기 금속쉘(104)의 치수는 상기 나사부(9)의 호칭 직경이 M10으로 설정되도록 제어하였다. 상기 평가테스트 엔진의 플러그 홀 직경이 M10이었던 것을 제외하고는 상기 누설전류 평가테스트 1에서와 기본적으로 동일한 방식으로 누설전류의 발생에 대하여 각각의 상기 평가테스트 플러그(101)를 테스트하였다. 상기 평가결과를 표 5에 나타낸다.
| 표 5 | |
| T(㎜) |
표본 |
| 1 2 8 9 12 15 | |
| 0.2 0.3 0.5 0.7 1.1 |
× × × × × × × × × ○ ○ ○ × × × ○ ◎ ◎ × × × ○ ◎ ◎ × × × ○ ◎ ◎ |
표 5에 나타낸 바와 같이, 상기 나사부(9)의 호칭 직경이 M10이었던 축소된 평가테스트 플러그(101)에서도 상기 누설전류 평가테스트 1에서와 동일한 결과를 얻었다. 조건(1) 내지 (5)를 모두 만족하였을 때 누설전류를 방지하는 것이 가능하였다. 상기 스파크 플러그가 축소되어 절연체의 충분한 벽두께를 보장하는 것이 곤란한 때에도 조건(1) 내지 (5)를 모두 만족시킴으로써 스파크 플러그가 누설전류를 방지하는 것이 가능함을 이들 결과로부터 알 수 있었다. 본 발명은 그러므로 축소된 스파크 플러그에 대해서도 효과적이다.
(누설전류 평가테스트 6)
표본 번호 12 및 50 내지 55의 알루미나-계 소결체를 사용하여 상기 누설전류 평가테스트 1에서와 기본적으로 동일한 방식으로 각 유형의 표본에 대한 도 4 및 5의 테스트 절연체(70)를 제작하였다. 여기에서, 각각의 상기 테스트 절연체(70)는 도 4에 나타낸 바와 같이 축방향을 따라 그의 중심부에 형성되는 축홀을 가졌고, 상기 축홀은 그 선단이 폐쇄되었다. 중심전극(D)을 상기 테스트 절연체(70)의 축홀 내에 삽입하여 위치시켰다. 이 상태에서, 누설전류의 발생 온도(℃)에 대하여 상기 테스트 절연체(70)를 테스트하였다. 도 4에 나타낸 바와 같이 누설전류 평가테스트 6에 대한 기구를 사용하였다. 도 4(a)는 테스트 절연체(70) 및 상기 테스트 절연체(70)의 선단부를 둘러싸는 금속 링(71)에 대한 상면도이고; 그리고 도 4(b)는 상기 테스트 절연체(70) 및 상기 링(71)의 단면도이다. 상기 테스트 절연체(70)는 고정 수단(도시 않됨)에 의하여 직립 상태로 고정하였고, 반면에 여기에서 상기 링(71)은 상기 스파크 플러그의 금속쉘, 특히, 상기 금속쉘의 선단부로서 기능하도록 상기 테스트 절연체(70)의 선단부에 고정 수단(도시 않됨)으로 고정하였다. 그러므로, 상기 링(71)의 축길이(L)는 3 내지 4㎜로 설정하였고; 그리고 상기 링(71)의 내경은, 상기 링(71)의 선단면(도 4에서 상측)에서, 상기 테스트 절연체(70)의 벽두께(T')에 대한 상기 테스트 절연체(70) 및 상기 링(71)의 이격거리(W')의 비율(W'/T')이 상기 비율(W/T)에 상응하게 1.5로 되도록 설정하였다. 상기 링(71)은 상기 선단면에서 상기 테스트 절연체(70)의 벽두께(T')가 상기 벽두께(T)에 상응하게 0.7㎜인 위치에 위치시켰다. 이 상태에서, 상기 중심전극(D)과 상기 링(71) 사이에 CDI 전원(60 Hz)로써 28 kV의 전압을 인가하면서 상기 링(71)으로부터의 열복사에 의하여 간접적으로 상기 테스트 절연체(70)를 가열하도록 상기 링(71)에 전자 가열을 하였다. 상기 링(71)의 가열 온도는 점진적으로 증가시켰다. 상기 누설전류 평가테스트 1에서와 동일한 방식으로 상기 테스트 절연체(70)에서 누설전류의 발생을 확인하였다. 그리하여 누설전류가 발생했을 때 상기 링(71)에 의하여 둘러싸인 상기 테스트 절연체(70)의 온도(℃)를 복사온도계로 측정하였다. 누설전류의 발생 온도(℃)를 측정하기 위하여 각 유형의 테스트 절연체(70) 5개 표본을 동일한 방식으로 측정하였다. 중간 3개의 측정된 온도값의 산술 평균을 상기 테스트 절연체(70)의 "누설전류 온도(℃)"로서 결정하였다.
| 표 6 | |||||||
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|
표본 | ||||||
| 12 | 55 | 54 | 51 | 52 | 53 | 50 | |
| 누설전류 온도(℃) | 953 | 960 | 908 | 867 | 869 | 873 | 845 |
표 6에 나타낸 바와 같이, 3종의 2족 원소 성분이 포함된 표본 번호 54 및 12의 알루미나-계 소결체 및 4종의 2족 원소 성분이 포함된 표본 번호 55의 알루미나-계 소결체를 사용하는 테스트 절연체는 2종의 2족 원소 성분이 포함된 표본 번호 50 내지 53의 알루미나-계 소결체를 사용하는 테스트 절연체보다 높은 누설전류 온도를 가졌다. 특히, Ba 성분이 포함된 표본 번호 12의 알루미나-계 소결체를 사용하는 테스트 절연체의 누설전류 온도는, Ba 성분이 포함되지 않은 표본 번호 54의 알루미나-계 소결체를 사용한 테스트 절연체에 비하여 비록 이들 각각의 알루미나-계 소결체에 3종의 2족 원소 성분이 포함되었더라도 이들 테스트 절연체의 누설전류 온도보다 높았다. Ba 성분이 포함된 표본 번호 51 내지 53의 알루미나-계 소결체를 사용하는 테스트 절연체의 누설전류 온도 역시, Ba 성분이 포함되지 않은 표본 번호 50의 알루미나-계 소결체를 사용한 테스트 절연체에 비하여 비록 이들 각각의 알루미나-계 소결체에 2종의 2족 원소 성분이 포함되었더라도 이들 테스트 절연체의 누설전류 온도보다 높았다. 그러므로, 밀도와 같은 물성 및 상기 알루미나-계 소결체의 조성이 동일할 때 상기 2족 원소 성분의 이동 발생 가능성이 Ba 성분> Sr 성분> Ca 성분> Mg 성분의 순으로 감소된다는 사실로 인하여, 상기 Ba 성분이외에 상기 2족 원소 성분과의 조합으로 Ba 성분을 사용하는 경우에는, 가장 바람직한 조합이 Ba 및 Sr 성분(표본 번호 53)이며; 제 2 의 바람직한 조합은 Ba 및 Ca 성분(표본 번호 52)이고; 그리고 제 3 의 바람직한 조합은 Ba 및 Mg 성분(표본 번호 51)임을 알 수 있었다.
(누설전류 평가테스트 7)
2족 원소 화합물 분말로서 알루미나 분말, Si 화합물 분말, Ca 화합물 분말, Mg 화합물 분말 및 Ba 화합물 분말 그리고 희토류 원소 화합물 분말로서 La 성분 분말을 혼합함으로써 9종의 원료물질 분말을 각각 준비하였다. 이들 원료물질 분말의 조성은 "알루미나-계 소결체의 제조"에서 상술한 바와 같이 표본 번호 17의 그것과 동일하게 설정하였다. 또한, 상기 원료물질 분말의 입도분포 비율(90% 부피 직경/10% 부피 직경)을 표 7에 나타낸 바와 같이 제어하였다. 표 7에 나타낸 바와 같이 상기 입도분포 비율(90% 부피 직경/10% 부피 직경)을 제어하기 위하여 상기 알루미나 분말, 상기 Si 화합물 분말, 상기 2족 원소 화합물 분말 및 상기 희토류 원소 화합물 분말의 평균입도를 각각 상술한 바의 범위 내에서 상이한 값으로 설정하였다.
폴리비닐알코올과 같은 친수성 결합제 및 용매로서의 물을 첨가하여 각각의 상기 원료물질을 슬러리로 형성하였다. 상기 슬러리를 분무건조하여, 약 100 ㎛의 평균입도를 갖는 구형 입자로 상기 원료물질 분말을 입자화하였다. 상기 입자화된 원료물질 분말을 고무 프레스 성형에 의하여 절연체 전구체로서의 성형체로 성형하였다. 상기 성형체를 1450 내지 1650℃의 소성온도 및 1 내지 8 시간의 소성시간 조건 하에서 공기 중에서 소성함으로써 소결하였다. 그리하여, 상기 소결성형체를 유약으로 소성함으로써 마무리하였다. 위의 절차에 의하여 9종의 알루미나-계 소결체를 제작하였다. 소성 조건은 위의 범위 내에서 동일하게 설정하였다.
각각의 상기 알루미나-계 소결체의 조성, 즉, 각각의 상기 알루미나-계 소결체 내에 포함된 각각의 성분의 양 및 각각의 상기 알루미나-계 소결체의 질량 비율(RRE 및 R2)은 "알루미나-계 소결체의 제조"에서 상술한 바와 동일한 방식으로 결정하였다. 결정 결과는 표 1에서 표본 번호 17의 그것들과 동일하였다. 상기 알루미나-계 소결체 또한 "알루미나-계 소결체의 제조"에서 상술한 바와 동일한 방식으로 상대밀도에 대하여 각각 테스트하였다. 상기 테스트 결과를 표 7에 나타낸다.
각각의 상기 알루미나-계 소결체를 "알루미나-계 소결체의 제조"에서 상술한 바와 동일한 방식으로 알루미나 결정상의 존재에 대하여 각각 테스트하였다. 상기 강도 비율[알루민산염/알루미나] 역시 상술한 바의 방법에 따른 X-선 회절 분석도로부터 결정하였다(상기 강도 비율[알루민산염/알루미나]은 표 7에서 "알루민산염 결정상: 강도 비율"로 칭한다). 이들 결과를 표 7에 나타낸다. 표 7에서, 부호 "○"는 상기 알루민산염 결정상의 존재를 나타내며; 그리고 상기 부호 "×"는 상기 알루민산염 결정상의 부재를 나타낸다.
또한, 표본 번호 1 내지 55의 각각의 알루미나-계 소결체를 상기 알루민산염 결정상의 존재에 대한 결정에서와 동일한 방식으로 규산염 결정상의 존재에 대하여 테스트하였다. 상기 강도 비율[규산염/알루미나] 역시 상술한 바의 방법에 따른 X-선 회절 분석도로부터 결정하였다(상기 강도 비율[규산염/알루미나]은 표 7에서 "2ASiO3 결정상: 강도 비율"로 칭한다). 이들 결과를 표 7에 나타낸다. 표 7에서, 부호 "○"는 상기 2ASiO3 결정상의 존재를 나타내며; 그리고 상기 부호 "×"는 상기 규산염 결정상의 부재를 나타낸다.
위에-제작된 9종의 알루미나-계 소결체를 사용하여, 각 유형에 대하여 도 1 및 2의 스파크 플러그(1)의 표본 50 개를 제작하였다. 이들 각각의 9종의 스파크 플러그(1)에서, 상기 나사부(9)의 호칭 직경은 M14이었고; 상기 벽두께(T)는 0.3㎜이었으며; 상기 이격거리(W)의 비율(W/T)은 1 내지 8의 범위 내에서 동일하게 설정하였고; 상기 절연체(2)의 돌출량(Li)은 상술한 바의 범위 이내로 설정하였으며; 그리고 상기 중심전극(2)은 대부분 동으로 형성되며 상기 가상평면의 전방측으로 연장되는 코어로서의 내부 전극 부재(8)를 가졌다.
한편, 상기 스파크 플러그(1)에서와 기본적으로 동일한 방식으로, 각 유형에 대하여 도 3의 스파크 플러그(101)의 표본 50 개를 제작하였다. 보다 구체적으로, 상기 평가테스트 플러그(101)의 절연체(103)가 0.3㎜의 벽두께(T)를 갖는다는 것을 제외하고는, 상기 스파크 플러그(1)의 그것들과 동일한 원료물질을 사용하여, 각 유형에 대하여 50 개의 표본으로 되는 스파크 플러그(1) 각각의 유형에 상응하게 상이한 유형으로 된 평가테스트 플러그(101)를 상기 스파크 플러그(1)에서와 기본적으로 동일한 방식으로 그리고 상기 누설전류 평가테스트 1에서의 평가테스트 플러그(101)에서와 기본적으로 동일한 방식으로 제작하였다.
상기 원료물질 분말의 종류에 기초하여, 상기 스파크 플러그(1) 및 상기 평가테스트 플러그(101) 50쌍을 제공하였고, 각 쌍은 상기 스파크 플러그(1) 50개 표본 중 하나 그리고 상기 평가테스트 플러그(101) 50개 표본 중 하나를 포함한다. 각각의 종류의 상기 원료물질 분말에 있어서 상기 스파크 플러그 및 상기 평가테스트 플러그(101) 50쌍을 모두 상기 누설전류 평가테스트 1에서와 기본적으로 동일한 방식(목표 온도: 700℃)으로 누설전류의 발생에 대하여 테스트하였다. 상기 50쌍의 플러그에서 누설의 발생율을 실패율의 면에서 평가하였다. 여기에서 실패율은 다음의 절차에 의하여 결정하였다. 상기 스파크 플러그 및 상기 평가테스트 플러그(101) 각 쌍을 평가테스트 엔진 상에 장착하였다. 상기 평가테스트 엔진의 작동 중, 상기 스파크 플러그와 상기 평가테스트 플러그(101)의 사이에 28 kV의 전압을 인가하였다. 상기 평가테스트 플러그(101)에 가해진 전압을 500회 측정하였다. 측정된 전압이 28 kV의 인가전압보다 1 kV 이상 더 낮을 때 및 통상의 스파크 방전의 파괴 파형을 나타내는 관통방전이 오실로스코프에 의하여 검출되었을 때의 전체 횟수가 500 측정횟수 중 10% 이상이었을 때, 상기 플러그쌍을 실패로 평가하였다. 상기 50 플러그쌍에서 실패 플러그 쌍의 비율을 실패율로서 계산하였다. 상기 평가 기준은 다음과 같았다: 실패율(실패 플러그 쌍/50 플러그 쌍)이 5% 미만이었을 때에는 "◎"이고; 실패율(실패 플러그 쌍/50 플러그 쌍)이 5% 이상 및 10% 미만이었을 때에는 "○"이며; 그리고 실패율(실패 플러그 쌍/50 플러그 쌍)이 10% 이상이었을 때에는 "△"이다.
| 표 7 | |||||||
| 입도분포 비율 (90%직경/10%직경) |
알루민산염 결정상 | 2ASiO3 결정상 | 상대밀도(%) |
전압(㎸) |
평가 결과 |
||
| 존재 | 강도 비율 | 존재 | 강도 비율 | ||||
| 2.8 | ○ | 0.04 | ○ | 0.32 | 95.7 | 28 | ○ |
| 3.2 | ○ | 0.04 | ○ | 0.33 | 95.8 | 28 | ○ |
| 3.6 | ○ | 0.06 | ○ | 0.56 | 96.3 | 28 | ◎ |
| 4.4 | ○ | 0.07 | ○ | 0.61 | 96.3 | 28 | ◎ |
| 5.0 | ○ | 0.08 | ○ | 0.58 | 96.2 | 28 | ◎ |
| 5.2 | ○ | 0.08 | ○ | 0.61 | 96.2 | 28 | ◎ |
| 5.7 | ○ | 0.07 | ○ | 0.72 | 95.4 | 28 | △ |
| 6.1 | ○ | 0.08 | ○ | 0.65 | 95.0 | 28 | △ |
| 6.3 | ○ | 0.07 | ○ | 0.60 | 94.8 | 28 | △ |
표 7에 나타낸 바와 같이, 상기 알루미나-계 소결체는 높은 상대밀도를 유지할 수 있었고 각각의 상기 스파크 플러그에서 높은 반복성으로 대량의 알루민산염 결정 및 규산염 결정 증착을 허용할 수 있었으며, 이들 스파크 플러그에서 상기 절연체는 3.6 내지 5.2의 입도분포 비율(90% 부피 직경/10% 부피 직경)로 원료물질 분말을 준비하고 준비된 원료물질 분말을 프레스-성형 및 소결함으로써 제작하였다. 이는 각각 누설전류가 거의 발생되지 않은 스파크 플러그(1) 및 평가테스트 표본(101)의 고-수율 제조를 유도하였다. 그러므로, 조건(A)에 따라 혼합된 원료물질 분말을 준비하고 준비된 원료물질 분말을 소결함으로써 절연체가 제작되는 스파크 플러그의 제조방법에 의하여, 절연체 내에서 누설전류가 거의 발생되지 않도록 하고 양호한 가연성-가스 점화능력을 달성하도록 상기 스파크 플러그를 높은 수율로 제조할 수 있음을 알 수 있었다.
[산업상의 이용가능성]
본 발명에 의한 스파크 플러그 및 본 발명에 의한 스파크 플러그의 제조방법에 의하여 제조된 스파크 플러그는 임의의 내연엔진에 사용가능하다. 상기 절연체(3)는 상기 알루미나-계 소결체로 형성되며 누설전류를 발생시키지 않으므로, 상기 스파크 플러그는 최근의 복잡한 내연엔진, 고-출력 내연엔진 또는 축소된 내연엔진 또는 연소실이 800℃ 이상의 고온에 도달하는 내연엔진에 사용하기에 적합하다.
1 - 스파크 플러그 2 - 중심전극
3 - 절연체 3e - 다리부
4 - 금속쉘 4a - 선단면
6 - 접지전극 7 - 외부 전극 부재
8 - 내부 전극 부재 9 - 나사부
70 - 테스트 절연체 71 - 링
101 - 누설전류 평가테스트용 스파크 플러그(평가테스트 플러그)
102 - 중심전극 103 - 절연체
104 - 금속쉘 105 - 코어
3 - 절연체 3e - 다리부
4 - 금속쉘 4a - 선단면
6 - 접지전극 7 - 외부 전극 부재
8 - 내부 전극 부재 9 - 나사부
70 - 테스트 절연체 71 - 링
101 - 누설전류 평가테스트용 스파크 플러그(평가테스트 플러그)
102 - 중심전극 103 - 절연체
104 - 금속쉘 105 - 코어
Claims (11)
- 스파크 플러그의 축방향으로 연장되는 중심전극;
상기 중심전극 주위에 배치되며 그의 선단측에 작은-다리부를 갖는 원통형인 절연체; 및
상기 절연체 주위에 배치되는 원통형인 금속쉘로 이루어지며,
다음의 조건(1) 내지 (5)를 만족하는 것을 특징으로 하는 스파크 플러그:
조건(1): 상기 절연체는 상기 금속쉘의 선단면을 포함하는 가상평면에서 0.3 내지 1.1㎜의 벽두께(T)를 가지며;
조건(2): 상기 절연체의 선단으로부터 상기 가상평면 후방으로 적어도 2㎜ 까지 연장되는 상기 절연체의 영역은 실리콘 성분, 희토류 원소 성분 및 IUPAC 권고 1990에 의한 주기율표의 적어도 2종의 2족 원소 성분으로서 0질량% 이상 0.1질량% 이하의 보론 성분을 포함하는 알루미나-계 소결체로 형성되고;
조건(3): 상기 알루미나-계 소결체에서 상기 실리콘 성분, 상기 적어도 2종의 2족 원소 성분 및 상기 희토류 원소 성분(산화물 면에서)의 전체 질량에 대하여 상기 희토류 원소 성분(산화물 면에서)의 질량의 질량 비율(RRE)은 0.15 내지 0.45이며;
조건(4): 상기 알루미나-계 소결체에서 상기 실리콘 성분(산화물 면에서)의 질량에 대하여 상기 적어도 2종의 2족 원소 성분(산화물 면에서)의 전체 질량의 질량 비율(R2)은 0.25 내지 1.10이고; 그리고
조건(5): 상기 알루미나-계 소결체는, 그의 입계상에, 상기 희토류 원소 성분을 포함하는 알루민산염 결정을 포함함.
- 청구항 1에 있어서,
상기 벽두께(T)는 0.5 내지 1.1㎜이고; 그리고 상기 질량 비율(RRE)은 0.2 내지 0.45임을 특징으로 하는 스파크 플러그.
- 청구항 1에 있어서,
상기 알루미나-계 소결체의 X-선 회절 스펙트럼이 측정될 때, 상기 X-선 회절 스펙트럼에서 알루미나로 인한 최고-강도 피크에 대하여 상기 알루민산염 결정으로 인한 최고-강도 피크의 강도 비율은 0.04 이상임을 특징으로 하는 스파크 플러그.
- 청구항 1에 있어서,
상기 질량 비율(R2)은 0.25 내지 1.0 임을 특징으로 하는 스파크 플러그.
- 청구항 1에 있어서,
상기 알루미나-계 소결체는, 그의 입계상에, 상기 2족 원소 성분을 포함하는 규산염 결정을 포함하며; 그리고, 상기 알루미나-계 소결체의 X-선 회절 스펙트럼이 측정될 때, 상기 X-선 회절 스펙트럼에서 상기 알루민산염 결정으로 인한 최고-강도 피크에 대하여 상기 규산염 결정으로 인한 최고-강도 피크의 강도 비율은 0.32 이상임을 특징으로 하는 스파크 플러그.
- 청구항 1에 있어서,
상기 금속쉘의 선단에 접합된 접지전극을 더욱 포함하며,
상기 가상평면에서 상기 절연체의 벽두께(T)에 대하여 상기 절연체와 상기 금속쉘 사이의 이격거리(W)의 비율(W/T)은 1 내지 8임을 특징으로 하는 스파크 플러그.
- 청구항 1에 있어서,
상기 금속쉘은 그의 외주 표면 상에 ISO 2704에 의한 M10 이하의 호칭 직경(nominal diameter)으로 형성되는 나사부를 가짐을 특징으로 하는 스파크 플러그.
- 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 2족 원소는 바륨을 포함함을 특징으로 하는 스파크 플러그.
- 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
상기 2족 원소는 적어도 3종의 2족 원소임을 특징으로 하는 스파크 플러그.
- 청구항 9에 있어서,
상기 2족 원소는 바륨을 포함함을 특징으로 하는 스파크 플러그.
- 원료물질 분말을 준비하고, 준비된 원료물질 분말을 소정몸체로 프레스-성형하고, 프레스-성형체를 소결함으로써 절연체를 제조하는 것으로 이루어지며,
상기 원료물질 분말은 알루미늄 화합물 분말, 실리콘 화합물 분말, IUPAC 권고 1990에 의한 주기율표의 적어도 2종의 2족 원소의 화합물 분말 및 희토류 원소 화합물 분말을 다음의 조건(A)을 만족하도록 혼합함으로써 준비됨을 특징으로 하는 청구항 1에 의한 스파크 플러그의 제조방법:
조건(A): 상기 원료물질 분말에서 10% 부피 직경의 입자와 90% 부피 직경의 입자 사이의 입도분포 비율(90% 부피 직경/10% 부피 직경)은 3.6 내지 5.2임.
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