CN102177628B

CN102177628B - 火花塞

Info

Publication number: CN102177628B
Application number: CN200980140591.XA
Authority: CN
Inventors: 吉田治树; 中川敬太; 柴田勉
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2029-10-30
Also published as: JPWO2010052875A1; EP2348589A1; EP2348589B1; US8294345B2; US20110204766A1; EP2348589A4; JP5087136B2; CN102177628A; WO2010052875A1

Abstract

火花塞(100)在中心电极(3)和端子配件(13)之间具有电阻体(15)。电阻体(15)包含玻璃、陶瓷粉末、导电材料和金属，其中，金属在电阻体(15)的任意剖面中的任意的300(μm)×300(μm)的区域上平均存在2个以上，且该区域内的金属的总剖面积所占的比例小于1.6％。

Description

火花塞

技术领域

本发明涉及一种带电阻体的火花塞。

背景技术

一直以来，为了抑制因火花塞的火花放电引起电波噪声，广泛地使用在中心电极和端子配件之间配置有电阻体的带电阻体的火花塞。这种带电阻体的火花塞根据其使用条件，存在由于流过电阻体的电能引起电阻体成分中的碳氧化而使电阻值增加的现象。因此，例如，在下述专利文献1、专利文献2中，通过在电阻体中添加具有还原作用的金属粉末，抑制碳氧化，提高负荷寿命性能。

专利文献1：JP特开昭60-150601号公报

专利文献2：JP特开昭60-150602号公报

但是，即使以专利文献1、专利文献2所记载的配比而添加金属粉末时，根据火花塞的形状，也存在不能充分提高负荷寿命性能的情况。

发明内容

考虑这种问题，本发明要解决的课题是，在添加了金属粉末的带电阻体的火花塞中提高其负荷寿命性能。

本发明是为了解决上述课题的至少一部分而做出的，能够以如下的方式或适用例实现。

[适用例1]一种火花塞，在中心电极和端子配件之间具有电阻体，其中，所述电阻体包含玻璃、陶瓷粉末、导电材料和金属，所述金属在所述电阻体的任意剖面中的任意的300(μm)×300(μm)的区域上平均存在2个以上，且在所述区域内的所述金属的总剖面积所占的比例小于1.6％。

根据上述方式的火花塞，金属粉末在电阻体中良好地分散，因此即使在金属粉末氧化的情况下，也能抑制电流的流动被较大程度切断。其结果是，能够提高火花塞的负荷寿命性能。

[适用例2]在适用例1所记载的火花塞中，所述区域内的所述金属的总剖面积所占的比例在0.01％以上且1.3％以下。

[适用例3]在适用例1所记载的火花塞中，所述区域内的所述金属的总剖面积所占的比例在0.02％以上且1.0％以下。

[适用例4]在适用例1～适用例3中的任一项所记载的火花塞中，包含Al(铝)、Zn(锌)、Fe(铁)、Cu(铜)、Mg(镁)、Sn(锡)、Ti(钛)、Zr(锆)、Ag(银)、Ga(镓)中的至少一种以上的金属作为所述金属。

[适用例5]在适用例1～适用例4中的任一项所记载的火花塞中，所述陶瓷粉末包含ZrO₂(氧化锆)。

[适用例6]在适用例1～适用例5中的任一项所记载的火花塞中，所述导电材料为碳黑。

[适用例7]在适用例1～适用例6中的任一项所记载的火花塞中，在所述玻璃的组分中包含B(硼)、Si(硅)、Ba(钡)、Ca(钙)、Sn(锡)、Ti(钛)中的至少一种以上，所述玻璃的变形点为300℃以上且小于700℃。

另外，本发明除了上述的火花塞的方式以外，也可以是火花塞的制造方法、用于火花塞的电阻体。

附图说明

图1是作为本发明的一个实施方式的火花塞100的剖视图。

标号说明

1…主体配件

2…绝缘体

3…中心电极

4…接地电极

6…贯通孔

13…端子配件

15…电阻体

16…导电性玻璃密封层

17…导电性玻璃密封层

21…前端部

31…点火部

32…点火部

100…火花塞

具体实施方式

图1是作为本发明的一个实施方式的火花塞100的剖视图。火花塞100包括：筒状的主体配件1、以前端部21从主体配件1的端部突出的方式嵌入主体配件1内的绝缘体2、以在前端形成的点火部31突出的状态设于绝缘体2的内侧的中心电极3、以一端通过焊接等与主体配件1接合并且另一端侧向侧方弯曲而其侧面与中心电极3的点火部31相对的方式配置的接地电极4。在接地电极4上与点火部31相对的位置上形成有点火部32，点火部31和点火部32之间的间隙成为火花放电间隙。

在绝缘体2上沿轴线O形成贯通孔6，在其一个端部固定有端子配件13，在另一个端部固定有中心电极3。此外，在贯通孔6内，在端子配件13和中心电极3之间配置有电阻体15。该电阻体15的两端部经由导电性玻璃密封层16、17与中心电极3和端子配件13分别电连接。

本实施方式中的电阻体15由玻璃、陶瓷粉末、导电材料、金属粉末和粘合剂(粘接剂)生成。金属粉末在电阻体15的任意剖面上的任意300(μm)×300(μm)的区域(以下将该区域称为“分析区域”)上平均存在2个以上。此外，该分析区域内的金属粉末占总剖面积的比例小于1.6％。作为金属粉末，例如能够使用包含Al、Zn、Fe、Cu、Mg、Sn、Ti、Zr、Ag、Ga中的任意一种以上的金属的金属粉末。优选的是使用包含Al、Zn、Fe、Cu、Mg中的任意一种以上的金属的金属粉末，更优选的是使用包含Al、Fe、Mg中的任意一种以上的金属的金属粉末。进一步优选的是使用包含Al的金属粉末。此外，作为陶瓷粉末，能够采用包含ZrO₂的陶瓷粉末。此外，可以采用玻璃的组分中包含B、Si、Ba、Ca、Sn、Ti中的至少一种以上的元素的玻璃。进而，作为导电材料，能够采用碳黑。

在上述的火花塞100中，中心电极3和端子配件13在绝缘体2上的组装、电阻体15和导电性玻璃密封层16、17的形成能够如以下所述进行。首先，在绝缘体2的贯通孔6中插入中心电极3，然后，依次填充作为导电性玻璃密封层16的原料的导电性玻璃粉末、上述的电阻体15的原料、作为导电性玻璃密封层17的原料的导电性玻璃粉末。接着，将端子配件13插入贯通孔6。然后，将绝缘体2整体加热至900～1000℃，从端子配件13侧施加预订的压力。通过如此处理，各原料被压缩、烧结，在贯通孔6内形成导电性玻璃密封层16、17和电阻体15。

根据上述的实施方式，对于贯通孔6的内径(以下称为“密封径”)为2.5mm至2.9mm的直径比较小的15种火花塞100，多次调整电阻体15中的金属粉末的添加量，进行判定其负荷寿命性能是否良好的实验。表1中表示该实验结果。

[表1]

该实验中，作为添加到电阻体15的金属粉末，采用Al、Mg、Fe、Cu、Zn的粉末，并且如下配合其他材料。通过将陶瓷粉末的一部分替换为金属粉末而调整金属粉末的配合量。另外，以下的说明中，“非玻璃材料”是指从上述的电阻体15的材料中除除玻璃以外的材料即陶瓷粉末、导电材料、金属及粘合剂。

·玻璃(B₂O₃：29％，SiO₂：50％，BaO：17％，Li₂O₃：4％)：相对于非玻璃材料100重量％为600重量％

·陶瓷粉末(ZrO₂)：非玻璃材料中的72.2～87.1重量％(因与金属粉末替换，其值改变)

·导电材料(碳黑)：非玻璃材料中的10重量％

·粘合剂(糊精)：非玻璃材料中的2.8重量％

在该实验中，在350℃的温度环境下对火花塞100施加20kV的放电电压，每1分钟放电3600次，共计放电250小时。然后，测定实验后的火花塞100的电阻值R，根据10次实验的平均求出该电阻值R相对于放电前的初始电阻值变化何种程度。表1中，将该变化的程度作为“变化率”表示，设变化率为+100％以上的实验的判定结果为“×”，设小于+100％的实验的判定结果为“○”。即，作为判定结果表示为“○”的火花塞100的电阻值的变化率较小，具有充分的负荷寿命性能。

另外，表1的“金属个数”表示在电阻体15的上述分析区域中包含的金属粒子的个数。此外，表1的“金属比例”是指在该分析区域中各金属粉末的剖面积的总和(总剖面积)所占的比例。金属个数及金属比例能够使用EPMA(Electron Probe Micro Analyzer：电子探针显微分析仪)求出。具体而言，在本实验中，作为EPMA，采用日本電子デ一タム公司制的JXA-8500F型号的装置，对于该装置进行如下设定：加速电压为20kV、照射电流为(5±0.5)×10^-8A、有效时间为10msec、测定间隔为1μm、视场为300μm×300μm。然后，根据通过该设定测定的计数数为100以上或小于100而生成对视场内进行了2值化的图像，通过利用计算机分析该图像而求出金属个数和金属比例。表1所示的金属个数及金属比例是对任意视场进行5次这种分析后的平均值。金属粒子的个数及面积的测定中使用Soft Imaging System GmbH公司制的analySIS Five(商标)这样的图像分析软件。测定画面上，对于明显能够观察到因2个粒子接触而个数计数为1个的情况，通过图像处理将2个粒子的界面部分离成2个而分别数个数。

参照表1所示的实验结果可知，例如，在比较例1、2中，对于设定密封径分别为2.5mm、2.9mm的火花塞，作为金属粉末，添加0.6重量％添加平均粒度为32μm的Al粉末。其结果是，电阻体15的分析区域中包含的Al个数为0.2个，比较少。结果，在这些比较例中，电阻值R的变化率超过+100％，未发现负荷寿命性能提高。

将添加的Al粉末的平均粒度从32μm降低至6μm，并将其他条件设定为与比较例1、2相同而进行实验，这就是实施例3、4。实施例3、4中，Al粒子的添加量(重量％)与比较例1、2相同，但通过降低Al粒子的平均粒度，使Al个数从0.2个增大至5个。即，与比较例1、2相比，在实施例3、4中，可以说较细的Al粉末在电阻体15内分散存在。这样，使Al粉末的粒子较细、使每单位面积中存在的Al的粒子数量较多时，如表1所示，分别在实施例3、4中，电阻值R的变化率降低至-6％、-13％，负荷寿命性能得以提高。

实施例1中，采用更细的Al粉末(平均粒度＝4μm)，设定其添加量为0.1重量％，由此生成分析区域中存在2个Al粒子、Al比例为0.02％的电阻体15。在该实施例1中同样电阻值R的变化率减小至-8，发现负荷寿命性能提高。即可知，Al粉末的粒子越细，对于负荷寿命性能越有利。认为这是由于，在Al粉末的粒子较大时、添加量过多时，被氧化的金属粉末作为绝缘体起作用，将电阻体内的导电路径大幅切断。另外，若关注Al粉末的添加量，则根据本申请人的经验可知，添加量为0.01重量％左右时，对于负荷寿命性能有利(参照JP特开昭60-150601号公报、JP特开昭60-150602号公报)。

比较例3中，Al个数为5个，与其他实施例的差异并不明显，但突出的是Al比例为4.50％。这是由于，与其他例子相比，Al粉末的添加量突出，达到15重量％，此外，比较例3中，作为Al粉末采用平均粒度为32μm这样的粒子比较粗的Al粉末。其结果是，在比较例3中，电阻值R的变化率为+500％这样非常高的值。

实施例2、5、6、7中，设定密封径及Al粉末的平均粒度为同一条件，并使Al粉末的添加量逐渐变化为0.4重量％、1.2重量％、1.8重量％、3.6重量％。其结果是，Al个数逐渐增加至3.3个、10个、15个、30个，Al比例逐渐增加至0.1％、0.3％、0.5％、1.0％。若是这样的Al个数及Al比例，电阻值R的变化率均小于+100％，发现了充分的负荷寿命性能。

比较例4中，与其他实施例同样，采用平均粒度为6μm的Al粉末。但是，通过将添加量设为比其他实施例稍多的重量比(6.0重量％)，增加Al个数(50个)及Al比例(1.6％)，其结果是，电阻值R的变化率成为稍微超过允许范围的+106％。即，若关注于Al比例，则可认为1.6％左右的值为确保负荷寿命性能的上限。但是，若考虑判定结果为“○”的实施例中，电阻值R的变化率最大的实施例7的Al比例为1.0％，该比较例4的Al比例为1.60％，实施例7的电阻值R的变化率为+58％，该比较例4的变化率为+106％，则Al比例的更优选的上限值可认为是实施例7和比较例4的Al比例的中间值即1.30左右。此外，上述各实施例中的Al比例的下限值为实施例1的0.02％，但若Al个数存在2个以上，则即使Al比例为0.01％左右，也能够期待负荷寿命性能提高。

上述比较例1～4及实施例1～7中，使用Al粉末作为电阻体15的材料的金属粉末。与此相对，实施例8中使用Mg作为金属粉末，实施例9中使用Fe作为金属粉末，实施例10中使用Cu作为金属粉末，实施例11中使用Zn作为金属粉末。在这些实施例8～11中，与实施例3同样，均设定密封径为2.5mm，作为金属粉末采用平均粒度为6μm的金属粉末，并设定其添加量为0.6％。这样，在这些实施例8～11中，与实施例3同样，金属个数均为5个，金属比例为0.2％。然后，实施例8中，电阻值R的变化率为+10％，实施例9中为+15％，实施例10中为+30％，实施例11中为+27％，均低于+100％，发现了充分的负荷寿命性能。即，代替Al而采用Mg或Fe、Cu、Zn等，也能够提高负荷寿命性能。另外，作为金属粉末，除这些金属以外，还可以采用具有还原作用的其他金属，例如Sn、Ti、Zr、Ag、Ga。此外，也可以包含2种以上的具有还原作用的金属。

如上所述，考虑表1所示的实验结果，若满足在电阻体15的任意剖面上的任意300μm×300μm的分析区域中平均存在2个以上的金属粒子且该分析区域内的金属的总剖面积所占的比例小于1.6％、优选0.01％以上且小于1.3％、更优选0.02％以上且1.0％以下这样的条件，则即使是密封径为2.5mm、2.9mm这样直径比较小的火花塞，也能够如实施例1至7所示提高负荷寿命性能。

作为电阻体15的材料的陶瓷粉末，从电特性的观点出发，优选包含ZrO₂的陶瓷粉末，此外，也可以添加TiO₂(二氧化钛)。陶瓷粉末的平均粒径优选为300μm以下，更优选为200μm以下。

作为电阻体15的材料的玻璃，能够使用BaO-B₂O₃系、BaO-B₂O₃-SiO₂系、BaO-B₂O₃-SiO₂-R₂O(RO)系、Pb-SiO₂系、Pb-B₂O₃-SiO₂-Al₂O₃系、B₂O₃-SiO₂系、B₂O₃-SiO₂-Al₂O₃系、B₂O₃-SiO₂-R₂O(RO)系、B₂O₃-SiO₂-Al₂O₃-R₂O(RO)系等变形点(deformation point)为300～700℃、且粒径优选为150μm左右的玻璃。一般而言，通过玻璃材料向一个轴向膨张并按压测定装置的检测部而使检测部移动的距离来评价玻璃材料的膨张程度。所述变形点是指玻璃材料软化而不能按压所述检测部的温度。

作为电阻体15的材料的导电材料，能够使用在加热密封温度条件下被氧化的物质。具体而言，从电特性的观点出发，如上述各实施例所示优选采用碳黑。

作为电阻体15的材料的粘合剂，能够使用蔗糖、乳糖、麦芽糖、棉子糖、葡萄糖、二甲苯、糊精、甲基纤维素等糖类；或乙二醇、甘油、丙二醇、聚乙二醇、聚乙烯醇等由脂肪烃构成的有机碳等水溶性碳化物。

根据火花塞的种类，在电阻体15中，有时使用氧化铝(Al₂O₃)作为骨料(aggregate)。因此，在上述实验中，使用Al作为金属粉末能够通过以下方法正确地确定。即，首先，通过EPMA(JXA-8500F)，测定通过上述方法观察的金属粒子中含有的O的比例(mol％)和Al的比例(mol％)。然后，计算所含的Al相对于O的比例(＝Al/O)。表2中，对于电阻体15中含有Al的情况和含有氧化铝的情况的多个情况，示出其计算结果。参照该表2可知，在金属粒子为Al时，Al/O的值为2以上，在金属粒子为氧化铝时，Al/O的值小于2。即，对于电阻体15中不含有氧化铝而是含有Al的情况，分别测定金属粒子中含有Al及O的比例(mol％)，若Al相对于O存在2倍以上，则可确定为该金属粒子为Al粒子。这是因为，使用Al作为金属粉末时，由于火花塞100的制造过程中的加热/加压处理(玻璃密封工序)，在电阻体15中的Al粒子的表面形成氧化被膜，结果，氧化不能进行到内部，含有Al的比例变高。另外，在使用Mg或Fe、Cu、Zn等Al以外的金属粉末作为金属粉末时，金属粒子中包含这些金属的比例也与Al的情况相同，相对于O成为2倍以上。因此，使用Mg或Fe、Cu、Zn等作为金属粉末，也能够通过与上述同样的方法来确定。

[表2]

Claims

1.一种火花塞，在中心电极和端子配件之间具有电阻体，其中，

所述电阻体包含玻璃、陶瓷粉末、导电材料和金属，

所述金属在所述电阻体的任意剖面中的任意的300（μm）×300（μm）的区域上平均存在2个以上，且在所述区域内的所述金属的总剖面积所占的比例小于1.6%。

2.根据权利要求1所述的火花塞，其中，

所述区域内的所述金属的总剖面积所占的比例在0.01%以上且1.3%以下。

3.根据权利要求1所述的火花塞，其中，

所述区域内的所述金属的总剖面积所占的比例在0.02%以上且1.0%以下。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的火花塞，其中，

包含Al、Zn、Fe、Cu、Mg、Sn、Ti、Zr、Ag、Ga中的至少一种金属作为所述金属。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的火花塞，其中，

所述陶瓷粉末包含ZrO₂。

6.根据权利要求1～3中任意一项所述的火花塞，其中，

所述导电材料为碳黑。

7.根据权利要求1～3中任意一项所述的火花塞，其中，

在所述玻璃的组分中包含B、Si、Ba、Ca、Sn、Ti中的至少一种，所述玻璃的变形点为300℃以上且小于700℃。