DE102014106313B4 - Isolator für Zündkerze und Zündkerze - Google Patents

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Abstract

Isolator für eine Zündkerze (2), dessen Hauptbestandteil Aluminiumoxid ist und der Silizium enthält, umfassendeine Korngrenzenphase (32), die zwischen Aluminiumoxidpartikeln (31) positioniert ist, wobeidie Korngrenzenphase (32) enthält:mindestens eine Art von Elementen, die aus einer Gruppe von Elementen der Gruppe 2A ausgewählt ist, die aus Magnesium, Calcium, Strontium und Barium besteht;mindestens eine Art von Elementen, die aus einer Gruppe von Seltenerdelementen ausgewählt ist, die aus Lanthan, Neodym, Praseodym, Yttrium, Ytterbium und Cer besteht; undmindestens eine Art von Elementen, die aus einer ersten Elementgruppe ausgewählt ist, die aus Zirconium, Titan, Chrom, Niob, Mangan und Eisen besteht, wobeiunter der Annahme, dass eine Elementbestimmung in einem Sichtfeld von 180 µm × 250 µm bei beliebigem gegebenem Querschnitt bezogen auf Oxide mit einem Elektronensonden-Mikroanalysator (Electron Probe Microanalyzer, EPMA) durchgeführt wird, undunter der Annahme, dass eine Gesamtmenge eines Elements, das aus der Gruppe von Seltenerdelementen ausgewählt ist, X (Masse-%) beträgt, eine Gesamtmenge eines Elements, das aus der Gruppe von Elementen der Gruppe 2A ausgewählt ist, Y (Masse-%) beträgt, und eine Gesamtmenge eines Elements, das aus der ersten Elementgruppe ausgewählt ist, Z (Masse-%) beträgt, folgende Beziehungen erfüllt sind:0,40≤Y/X≤2,00,0,10≤Z/X≤0,40.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
  • Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2013-099067 , die am 09. Mai 2013 beim Japanischen Patentamt eingereicht wurde.
  • HINTERGRUND
  • Technisches Gebiet
  • Diese Offenbarung betrifft eine Zündkerze, die für eine Brennkraftmaschine oder eine ähnliche Komponente verwendet wird, und einen Isolator für eine Zündkerze, der für eine Zündkerze verwendet wird.
  • Verwandter Stand der Technik
  • Eine Zündkerze, die zum Beispiel für eine Brennkraftmaschine oder eine ähnliche Komponente verwendet wird, weist einen Isolator, eine Mittelelektrode, ein rohrförmiges Metallgehäuse und eine Masseelektrode auf. Der Isolator weist eine axiale Bohrung auf, die sich in der Achsrichtung erstreckt. Die Mittelelektrode ist so angeordnet, dass sie in eine vordere Endseite einer axialen Bohrung eingesetzt ist. Das Metallgehäuse ist am Außenumfang des Isolators angeordnet. Die Masseelektrode ist am vorderen Endabschnitt des Metallgehäuses befestigt.
  • Ein bekannter Typ einer Zündkerze (ein sogenannter Parallelelektroden-Typ und ein Querentladungs-Typ) weist einen Luftspalt zwischen dem vorderen Endabschnitt der Masseelektrode und dem vorderen Endabschnitt der Mittelelektrode auf. Das Anlegen einer Spannung an den Luftspalt erzeugt eine Entladung in der Luft. Bei einem anderen Typ einer Zündkerze (einem sogenannten Oberflächenentladungs-Typ) ist die vordere Endfläche der Masseelektrode so angeordnet, dass sie der äußeren Umfangsfläche an der vorderen Endseite der Mittelelektrode gegenüberliegt. Ein Teil eines Entladungsweges wird zu einem Weg, welcher entlang der Oberfläche des Isolators verläuft. Unlängst wurde eine Plasmastrahl-Zündkerze vorgeschlagen. Bei dieser Plasmastrahl-Zündkerze ist das vordere Ende der Mittelelektrode in Bezug auf ein vorderes Ende eines Isolators an einer hinteren Endseite positioniert. Plasma wird erzeugt, indem elektrischer Strom zwischen beiden Elektroden eingeschaltet wird, wo eine Entladung erzeugt wird.
  • Im Allgemeinen ist, um einen ausgezeichneten Wärmewiderstand, ausgezeichnete dielektrische Festigkeitseigenschaften und mechanische Festigkeit zu erzielen, der Isolator mit einem aluminiumoxidbasierten Sinterkörper ausgebildet. Der aluminiumoxidbasierte Sinterkörper wird erhalten, indem ein Isoliermaterial mit Aluminiumoxid (Al2O3) als Hauptbestandteil gesintert wird. Ferner werden bei der Ausbildung des Isolators, um eine Verringerung der Sintertemperatur und eine Verbesserung der Sinterbarkeit (Dichte des Isolators) zu erreichen, zum Beispiel Siliziumoxid (SiO2), Calciumoxid (CaO), oder Magnesiumoxid (MgO) als Sinterzusatz verwendet.
  • Weiterhin wird, um ausgezeichnete dielektrische Festigkeitseigenschaften selbst unter hohen Temperaturen sicherzustellen, eine Verfahrensweise vorgeschlagen, welche ein Seltenerdelement (zum Beispiel Scandium (Sc), Yttrium (Y) oder Lanthan (La)) in einem Isolator beinhaltet (siehe zum Beispiel JP 2009 - 242 234 A ). Gemäß dieser Verfahrensweise kann ein Schmelzpunkt einer Korngrenzenphase in Aluminiumoxidpartikeln erhöht werden. Dies stellt eine Verringerung der Erweichung der Korngrenzenphase sicher, wenn der Isolator eine hohe Temperatur annimmt.
  • JP H07 - 12 969 B2 offenbart eine Aluminiumoxidkeramik und eine Zündkerze, die diese umfasst. US 2012 / 0 007 489 A1 offenbart eine Zündkerze. EP 2 259 394 A1 offenbart eine Zündkerze und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. EP 2 482 397 A1 offenbart eine Zündkerze und ein Verfahren zur Herstellung der Zündkerze.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Ein Isolator für eine Zündkerze, dessen Hauptbestandteil Aluminiumoxid ist und der Silizium enthält, weist eine Korngrenzenphase auf, die zwischen Aluminiumoxidpartikeln positioniert ist. Die Korngrenzenphase enthält: mindestens eine Art von Elementen, die aus einer Gruppe von Elementen der Gruppe 2A ausgewählt ist, die aus Magnesium, Calcium, Strontium und Barium besteht; mindestens eine Art von Elementen, die aus einer Gruppe von Seltenerdelementen ausgewählt ist, die aus Lanthan, Neodym, Praseodym, Yttrium, Ytterbium und Cer besteht; und mindestens eine Art von Elementen, die aus einer ersten Elementgruppe ausgewählt ist, die aus Zirconium, Titan, Chrom, Niob, Mangan und Eisen besteht. Unter der Annahme, dass eine Elementbestimmung in einem Sichtfeld von 180 um × 250 µm bei beliebigem gegebenem Querschnitt bezogen auf Oxid mit einem Elektronensonden-Mikroanalysator (Electron Probe Microanalyzer, EPMA) durchgeführt wird, und unter der Annahme, dass eine Gesamtmenge eines Elements, das aus der Gruppe von Seltenerdelementen ausgewählt ist, X (Masse-%) beträgt, eine Gesamtmenge eines Elements, das aus der Gruppe von Elementen der Gruppe 2A ausgewählt ist, Y (Masse-%) beträgt, und eine Gesamtmenge eines Elements, das aus der ersten Elementgruppe ausgewählt ist, Z (Masse-%) beträgt, sind folgende Beziehungen erfüllt: 0,40 ≤ Y/X ≤ 2,00,
    Figure DE102014106313B4_0003
     0,10 ≤ Z/X ≤ 0 ,40 .
    Figure DE102014106313B4_0004
  • Figurenliste
    • 1 ist eine teilweise geschnittene Vorderansicht, die eine Konfiguration einer Zündkerze zeigt;
    • 2 ist eine schematische Schnittansicht, die einen Schnitt einer Zündkerze zeigt;
    • 3 ist eine vergrößerte schematische Schnittansicht, die Aluminiumoxidpartikel und Korngrenzenphasen zeigt;
    • 4 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Verfahren für eine Prüfung zur Beurteilung dielektrischer Festigkeitseigenschaften beschreibt;
    • 5A und 5B sind erläuternde Ansichten, die ein Verfahren für eine Prüfung zur Beurteilung der Beständigkeit gegen Kanalbildung beschreiben;
    • 6 ist eine vergrößerte, teilweise geschnittene Vorderansicht, welche die Konfiguration der Zündkerze einer anderen Ausführungsform zeigt; und
    • 7 ist eine vergrößerte, teilweise geschnittene Vorderansicht, welche die Konfiguration der Zündkerze einer anderen Ausführungsform zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung werden zum Zwecke der Erläuterung zahlreiche spezielle Einzelheiten dargelegt, um ein grundlegendes Verständnis der offenbarten Ausführungsformen zu gewährleisten. Es ist jedoch klar, dass eine oder mehrere Ausführungsformen auch ohne diese speziellen Einzelheiten ausgeführt werden können. In anderen Fällen sind wohlbekannte Strukturen und Vorrichtungen schematisch dargestellt, um die Zeichnung zu vereinfachen. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die Patentansprüche bestimmt.
  • Bei der oben beschriebenen Zündkerze vom Oberflächenentladungs-Typ wird eine Entladung so erzeugt, dass sie entlang einer Oberfläche eines Isolators stattfindet. Sogar bei einer Plasmastrahl-Zündkerze wird eine Entladung in vielen Fällen so erzeugt, dass sie entlang einer Oberfläche eines Isolators (einer Innenumfangsfläche) stattfindet. Ferner kann sich bei den oben beschriebenen Zündkerzen vom Parallelelektroden-Typ und Querentladungs-Typ ein leitender Stoff wie etwa Kohlenstoff an der Oberfläche des Isolators anlagern, oder ein Druck in einem Brennraum kann erhöht werden. In diesen Fällen kann eine Entladung entlang der Oberfläche des Isolators zwischen der Mittelelektrode und dem Metallgehäuse erzeugt werden.
  • Falls eine Entladung entlang der Oberfläche des Isolators erzeugt wird, schneidet in Verbindung mit der Entladung erzeugte Energie (Wärme) die Oberfläche des Isolators aus, die sich auf einem Entladungsweg befindet. Schließlich kann eine streifenförmige Rille an dem Isolator gebildet werden (was „Kanalbildung“ genannt wird). Die Kanalbildung verdünnt lokal einen Teil der Wand des Isolators. In Anbetracht dessen besteht die Möglichkeit einer Verminderung der dielektrischen Festigkeitseigenschaften und der mechanischen Festigkeit.
  • Ein Zweck dieser Offenbarung ist es, einen Isolator für eine Zündkerze und eine Zündkerze bereitzustellen. Mit diesen Isolatoren für Zündkerzen und mit solchen Zündkerzen kann die Kanalbildung wirksam verringert werden, wobei gleichzeitig ausgezeichnete dielektrische Festigkeitseigenschaften sichergestellt werden. Dies verhindert mit größerer Sicherheit, dass sich die dielektrischen Festigkeitseigenschaften und die mechanischen Festigkeit verschlechtern oder vermindern.
  • Als Nächstes werden Konfigurationen, die geeignet sind, die obigen Aufgaben zu lösen, im Einzelnen beschrieben. Falls erforderlich, werden Aktionen und Wirkungen, die für die Konfigurationen spezifisch sind, zusätzlich beschrieben. Konfiguration 1. Ein Isolator für eine Zündkerze der vorliegenden Konfiguration, dessen Hauptbestandteil Aluminiumoxid ist und der Silizium enthält, weist eine Korngrenzenphase auf, die zwischen Aluminiumoxidpartikeln positioniert oder ausgebildet ist. Die Korngrenzenphase enthält: mindestens eine Art von Elementen, die aus einer Gruppe von Elementen der Gruppe 2A ausgewählt ist, die aus Magnesium, Calcium, Strontium und Barium besteht; mindestens eine Art von Elementen, die aus einer Gruppe von Seltenerdelementen ausgewählt ist, die aus Lanthan, Neodym, Praseodym, Yttrium, Ytterbium und Cer besteht; und mindestens eine Art von Elementen, die aus einer ersten Elementgruppe ausgewählt ist, die aus Zirconium, Titan, Chrom, Niob, Mangan und Eisen besteht. Unter der Annahme, dass eine Elementebestimmung in einem Sichtfeld von 180 µm × 250 µm bei beliebigem gegebenem Querschnitt bezogen auf Oxid mit einem Elektronensonden-Mikroanalysator (EPMA) durchgeführt wird, und unter der Annahme, dass eine Gesamtmenge eines Elements, das aus der Gruppe von Seltenerdelementen ausgewählt ist, X (Masse-%) beträgt, eine Gesamtmenge eines Elements, das aus der Gruppe von Elementen der Gruppe 2A ausgewählt ist, Y (Masse-%) beträgt, und eine Gesamtmenge eines Elements, das aus der ersten Elementgruppe ausgewählt ist, Z (Masse%) beträgt, sind folgende Beziehungen erfüllt: 0,40 ≤ Y/X ≤ 2 ,00 ,
    Figure DE102014106313B4_0005
     0,10 ≤ Z/X ≤ 0 ,40 .
    Figure DE102014106313B4_0006
    Gemäß der oben beschriebenen Konfiguration 1 kann beim Sintern des Isolators eine eutektische Reaktion eines Elements, das aus der Gruppe von Elementen der Gruppe 2A ausgewählt ist, und Aluminiumoxid eine flüssige Phase mit niedrigem Schmelzpunkt bilden. Daher kann die Dichte des Isolators sichergestellt werden. Infolgedessen können dielektrische Festigkeitseigenschaften verbessert werden.
  • Hierbei liegt ein Element, das aus der Gruppe von Elementen der Gruppe 2A ausgewählt ist, als Glasphase mit niedrigem Schmelzpunkt in einer Korngrenzenphase vor. Dementsprechend kann unter hohen Temperaturen (z B. 700°C oder mehr) die Glasphase mit niedrigem Schmelzpunkt erweicht werden, und die dielektrischen Festigkeitseigenschaften können verschlechtert werden.
  • Insofern enthält gemäß der Konfiguration 1 die Korngrenzenphase ein Element, das aus der Gruppe von Seltenerdelementen ausgewählt ist. Daher kann eine Glasphase mit hohem Schmelzpunkt (ein Kristall), die eine Si-Komponente und ein aus der Gruppe von Seltenerdelementen ausgewähltes Element enthält, in der Korngrenzenphase gebildet werden. Dies stellt eine Verringerung des Erweichens der Korngrenzenphase unter hohen Temperaturen sicher. Infolgedessen können ausgezeichnete dielektrische Festigkeitseigenschaften mit größerer Sicherheit aufrechterhalten werden.
  • Es werde angenommen, dass eine Gesamtmenge eines Elements, das aus der Gruppe von Seltenerdelementen ausgewählt ist, X (Masse-%) beträgt und eine Gesamtmenge eines Elements, das aus der Gruppe von Elementen der Gruppe 2A ausgewählt ist, Y (Masse-%) beträgt. Dann kann, falls 0,40 > Y/X erfüllt ist, eine flüssige Phase mit einem niedrigen Schmelzpunkt nicht ausreichend gebildet werden. In diesem Falle kann die Dichte des Isolators nicht ausreichend verbessert werden. Dies kann unzureichende dielektrische Festigkeitseigenschaften zur Folge haben. Falls Y/X > 2,00 erfüllt ist, wird der Schmelzpunkt der Korngrenzenphase nicht ausreichend erhöht. Dies kann eine Verschlechterung dielektrischer Festigkeitseigenschaften unter hohen Temperaturen zur Folge haben. Unter Berücksichtigung dieser Punkte ist die Konfiguration 1 so gestaltet, dass 0,40 ≤ Y/X ≤ 2,00 erfüllt ist.
  • Ferner wird eine Entladung entlang der Oberfläche des Isolators erzeugt, so dass sie hauptsächlich entlang der Oberfläche der Korngrenzenphase verläuft. Gemäß der Konfiguration 1 enthält die Korngrenzenphase ein Element, das aus der ersten Elementgruppe ausgewählt ist (nämlich ein leitendes Element). Angesichts dessen weist die Korngrenzenphase eine Leitfähigkeitseigenschaft auf. Dies stellt einen Abfall des Isolationswiderstands an der Korngrenzenphase sicher. Infolgedessen kann, wenn eine Entladung erzeugt wird, die entlang der Oberfläche des Isolators stattfindet, die in Verbindung mit der Entladung erzeugte Energie (Wärme) verringert werden. Daher ist es weniger wahrscheinlich, dass der auf dem Entladungsweg positionierte Isolator ausgeschnitten wird, und eine Kanalbildung kann mit größerer Sicherheit verringert werden. Infolgedessen kann eine Verschlechterung des Verhaltens betreffs dielektrischer Festigkeit und der mechanischen Festigkeit mit größerer Sicherheit verhindert oder vermindert werden.
  • Ein übermäßig niedriger Isolationswiderstand an der Korngrenzenphase kann unzureichende dielektrische Festigkeitseigenschaften verursachen. Es werde angenommen, dass eine Gesamtmenge eines Elements, das aus der ersten Elementgruppe ausgewählt ist, Z (Masse-%) beträgt. Je größer des Gesamtmenge Z ist, desto niedriger ist der Isolationswiderstand an der Korngrenzenphase. Gleichzeitig bewirkt eine größere Gesamtmenge Y die Bildung vieler Glasphasen mit hohem Schmelzpunkt (Kristalle) an der Korngrenzenphase. Infolgedessen wird der Isolationswiderstand an der Korngrenzenphase erhöht. In Anbetracht dieser Punkte ist die Konfiguration 1 so gestaltet, dass 0,10 ≤ Z/X ≤ 0,40 erfüllt ist. Daher wird der Korngrenzenphase eine Leitfähigkeitseigenschaft verliehen, und ein übermäßig niedriger Isolationswiderstand an der Korngrenzenphase kann mit größerer Sicherheit verhindert oder vermindert werden. Infolgedessen kann die Kanalbildung wirksam verringert werden, und ausgezeichnete dielektrische Festigkeitseigenschaften können mit größerer Sicherheit aufrechterhalten werden. Das heißt, gemäß der Konfiguration 1 ist, um die Beständigkeit gegen Kanalbildung zu verbessern, speziell für diesen Zweck ein leitendes Element enthalten, welches sich unter dem Aspekt dielektrischer Festigkeitseigenschaften nachteilig auswirkt. Außerdem wird Z/X innerhalb des oben angegebenen Wertebereichs gewählt, was die Aufrechterhaltung ausgezeichneter dielektrischer Festigkeitseigenschaften sicherstellt.
  • Konfiguration 2. Bei dem Isolator für eine Zündkerze der vorliegenden Konfiguration gemäß der Konfiguration 1 beträgt in dem Sichtfeld ein Verhältnis einer Fläche, die von der Korngrenzenphase eingenommen wird, zu einer Fläche, die von dem Aluminiumoxidpartikel eingenommen wird, 0,020 oder mehr bis 0,060 oder weniger.
  • Falls ein Verhältnis einer Fläche, die von der Korngrenzenphase eingenommen wird, zu einer Fläche, die von dem Aluminiumoxidpartikel eingenommen wird (ein Flächenverhältnis), übermäßig groß ist, ist es wahrscheinlich, dass, wenn eine entlang des Isolators verlaufende Entladung erzeugt wird, die Aluminiumoxidkomponente und ein die Korngrenzenphase bildender Bestandteil reagieren. Dies kann eine Versprödung des Isolators verursachen. Daher wird, wenn der Isolator versprödet ist, selbst wenn die in Verbindung mit einer Entladung erzeugte Energie nicht sehr groß ist, eine Größe des Einschnitts in den Isolator, oder ein Verschleißbetrag, relativ groß. Dies kann bewirken, dass wahrscheinlich eine Kanalbildung hervorgerufen wird.
  • Insofern wird bei der oben beschriebenen Konfiguration 2 das Flächenverhältnis auf 0,060 oder weniger festgelegt. Infolgedessen kann eine Reaktion der Aluminiumoxidkomponente mit dem die Korngrenzenphase bildenden Bestandteil während einer Entladung verringert werden. Daher kann eine Versprödung des Isolators wirksam verhindert oder verringert werden. Infolgedessen kann eine die Kanalbildung reduzierende Wirkung weiter verbessert werden.
  • Gemäß der Konfiguration 2 wird insofern das Flächenverhältnis auf 0,020 oder mehr festgelegt. Dies bewirkt eine ausreichende Ausbildung der Korngrenzenphase. Daher kann die Dichte des Isolators weiter erhöht werden. Infolgedessen können die dielektrischen Festigkeitseigenschaften weiter verbessert werden.
  • Konfiguration 3. Bei dem Isolator für eine Zündkerze gemäß der Konfiguration 1 oder 2 sind zwei oder mehr Arten von Elementen, die aus der ersten Elementgruppe ausgewählt sind, vorhanden.
  • Wenn eine Entladung entlang der Oberfläche des Isolators erzeugt wird, fungiert die Korngrenzenphase, die ein leitendes Element enthält, als ein leitender Pfad. Hierbei kann, falls ein aus der ersten Elementgruppe ausgewähltes Element (das leitende Element) nur von einer Art ist, der leitende Pfad lokal an der Korngrenzenphase ausgebildet werden. Wenn der leitende Pfad lokal ausgebildet wird, wird die im Zusammenhang mit der Entladung erzeugte Energie (Wärme) groß. Dies verursacht mit größerer Wahrscheinlichkeit eine Kanalbildung.
  • Insofern sind gemäß der oben beschriebenen Konfiguration 3 zwei oder mehr Arten von Elementen, die aus der ersten Elementgruppe ausgewählt sind, vorhanden. In Anbetracht dessen kann der leitende Pfad weiter verteilt an der Korngrenzenphase ausgebildet werden. Daher kann während der Entladung erzeugte Energie (Wärme) wirksam noch weiter verringert werden. Infolgedessen kann die Beständigkeit gegen Kanalbildung weiter verbessert werden.
  • Konfiguration 4. Bei dem Isolator für eine Zündkerze der vorliegenden Konfiguration gemäß einer der Konfigurationen 1 bis 3 beträgt in dem Sichtfeld eine mittlere Korngröße der Aluminiumoxidpartikel 2,0 µm oder mehr bis 4,5 µm oder weniger.
  • Vom Anfangspunkt der Entladung zum Endpunkt der Entladung existieren viele leitende Pfade. Bei Aluminiumoxidpartikeln mit relativ großer mittlerer Korngröße besteht die Tendenz zu einer Streuung der Länge der leitenden Pfade. Genauer, bei einem bestimmten Isolator ist die Länge der leitenden Pfade annähernd gleich. Im Gegensatz dazu ist bei einem anderen Isolator ein Teil der leitenden Pfade wahrscheinlich relativ lang. Bei dem Isolator, bei dem ein Teil der leitenden Pfade lang ist, ist die im Zusammenhang mit der Entladung erzeugte Energie wahrscheinlich groß. In Anbetracht dessen ist das Auftreten einer Kanalbildung wahrscheinlich. Das heißt, die Aluminiumoxidpartikel mit relativ großer mittlerer Korngröße können eine Schwankung der dielektrischen Festigkeitseigenschaften bei einer Vielzahl von Isolatoren zur Folge haben.
  • Insofern beträgt gemäß der oben beschriebenen Konfiguration 4 die mittlere Korngröße der Aluminiumoxidpartikel 4,5 µm oder weniger. Dadurch kann mit größerer Sicherheit dafür gesorgt werden, dass die leitenden Pfade bei der Vielzahl von Isolatoren annähernd die gleiche Länge haben. Infolgedessen kann die Schwankung der dielektrischen Festigkeitseigenschaften bei der Vielzahl von Isolatoren wirksam verringert werden. Infolgedessen wird bei der Konfiguration 4 erreicht, dass ausgezeichnete dielektrische Festigkeitseigenschaften stabil sichergestellt werden.
  • Gewöhnlich beinhaltet der Herstellungsprozess des Isolators einen Formgebungsprozess. Bei dem Formgebungsprozess wird Rohmaterialpulver geformt, das Aluminiumoxidpartikel oder ein ähnliches Element enthält. Die äußere Umfangsform des Formkörpers, der aus den Aluminiumoxidpartikeln erhalten wird, wird mit einem bestimmten Schleifstein geformt. Wenn die mittlere Korngröße der Aluminiumoxidpartikel zu klein ist, besteht die Wahrscheinlichkeit, dass die Aluminiumoxidpartikel während des Formprozesses in die polierte Oberfläche des Schleifsteins eindringen (und die Poren des Schleifsteins wahrscheinlich zugesetzt werden). Demzufolge tritt beim Formprozess ein Problem auf. Dies kann ein Absinken der Produktivität verursachen.
  • Insofern wird gemäß der Konfiguration 4 die mittlere Korngröße der Aluminiumoxidpartikel mit 2,0 µm oder mehr festgelegt. In Anbetracht dessen kann eine Verstopfung der Poren des Schleifsteins während der Fertigung wirksam verhindert oder verringert werden.
  • Infolgedessen kann ein Absinken der Produktivität mit größerer Sicherheit verhindert oder vermindert werden.
  • Konfiguration 5. Eine Zündkerze der vorliegenden Konfiguration enthält den Isolator für eine Zündkerze gemäß einer der Konfigurationen 1 bis 4.
  • Die Konfiguration 5 stellt eine Aktion und eine Wirkung bereit, die der Konfiguration 1 oder einer ähnlichen Konfiguration ähnlich sind.
  • Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eine Ausführungsform dieser Offenbarung beschrieben. 1 ist eine teilweise geschnittene Vorderansicht, die eine Zündkerze 1 zeigt. Insbesondere wird in 1 eine Richtung einer Achse CL1 der Zündkerze 1 als die vertikale Richtung in der Zeichnung bezeichnet. Die untere Seite der Zündkerze 1 wird als die vordere Endseite der Zündkerze 1 bezeichnet, und die obere Seite als die hintere Endseite.
  • Die Zündkerze 1 weist einen rohrförmigen Isolator 2 als einen Isolator für die Zündkerze, ein rohrförmiges Metallgehäuse 3, welches den Isolator 2 hält, und eine ähnliche Komponente auf.
  • Der Isolator 2 ist aus einer isolierenden Keramik ausgebildet, dessen Hauptbestandteil Aluminiumoxid ist und die Silizium (Si) enthält. Der Isolator 2 weist, von außen betrachtet, einen hinteren Rumpfabschnitt 10, der an der hinteren Endseite ausgebildet ist, einen Abschnitt mit großem Durchmesser 11, einen Zwischenrumpfabschnitt 12 und einen Fußabschnitt 13 auf. Der Abschnitt mit großem Durchmesser 11 ist vor dem hinteren Rumpfabschnitt 10 angeordnet und steht radial nach außen vor. Der Zwischenrumpfabschnitt 12 ist vor dem Abschnitt mit großem Durchmesser 11 angeordnet und hat einen kleineren Durchmesser als der Abschnitt mit großem Durchmesser 11. Der Fußabschnitt 13 ist vor dem Zwischenrumpfabschnitt 12 angeordnet und hat einen kleineren Durchmesser als der Zwischenrumpfabschnitt 12. Der Abschnitt mit großem Durchmesser 11, der Zwischenrumpfabschnitt 12 und der größere Teil des Fußabschnitts 13 des Isolators 2 sind innerhalb des Metallgehäuses 3 untergebracht. Außerdem ist ein konisch zulaufender Stufenabschnitt 14 an einem Verbindungsabschnitt zwischen dem Zwischenrumpfabschnitt 12 und dem Fußabschnitt 13 ausgebildet. Der Isolator 2 sitzt an dem Stufenabschnitt 14 auf dem Metallgehäuse 3 auf.
  • Ferner weist der Isolator 2 eine axiale Bohrung 4 auf, die sich entlang der Achse CL1 durch ihn hindurch erstreckt. Eine Mittelelektrode 5 ist in einen vorderen Endabschnitt der axialen Bohrung 4 fest eingesetzt. Die Mittelelektrode 5 besteht aus einer inneren Schicht 5A, die von einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit (z B. Kupfer, eine Kupferlegierung, reinem Nickel (Ni) usw.) gebildet wird, und einer äußeren Schicht 5B, die von einer Ni-Legierung gebildet wird, welche Ni als eine Hauptkomponente aufweist. Die Mittelelektrode 5 als Ganzes weist eine stabförmige Gestalt (Säulenform) auf. Der vordere Endabschnitt der Mittelelektrode 5 steht bezüglich des vorderen Endes des Isolators 2 vor.
  • Außerdem ist eine Endelektrode 6 fest in einen hinteren Endabschnitt der axialen Bohrung 4 eingesetzt und steht bezüglich des hinteren Endes des Isolators 2 vor.
  • Ein säulenförmiger Widerstand 7 ist innerhalb der axialen Bohrung 4 zwischen der Mittelelektrode 5 und der Endelektrode 6 angeordnet. Gegenüberliegende Endabschnitte des Widerstands 7 sind mit der Mittelelektrode 5 bzw. der Endelektrode 6 über elektrisch leitende Glasdichtungsschichten 8 und 9 verbunden.
  • Das Metallgehäuse 3 ist aus einem kohlenstoffarmen Stahl oder einem ähnlichen Metall mit einer rohrförmigen Gestalt ausgebildet. Das Metallgehäuse 3 weist auf seiner äußeren Umfangsfläche einen Gewindeabschnitt (Außengewindeabschnitt) 15 auf. Der Gewindeabschnitt 15 ist dazu eingerichtet, die Zündkerze 1 in eine Verbrennungsvorrichtung, z B. eine Brennkraftmaschine oder einen Brennstoffzellenreformer, einzubauen. Das Metallgehäuse 3 weist auf seiner äußeren Umfangsfläche einen Sitzabschnitt 16 auf, der hinter dem Gewindeabschnitt 15 angeordnet ist. Eine ringartige Dichtung 18 ist an einem Schraubenhals 17 am hinteren Ende des Gewindeabschnitts 15 angebracht. Ferner weist das Metallgehäuse 3 in der Nähe seines hinteren Endes einen Werkzeugeingriffsabschnitt 19 mit einem sechseckigen Querschnitt und einen Bördelabschnitt 20 auf. Der Werkzeugeingriffsabschnitt 19 ermöglicht, dass ein Werkzeug wie etwa ein Mutternschlüssel mit ihm in Eingriff gebracht wird, wenn das Metallgehäuse 3 an der Verbrennungsvorrichtung angebracht werden soll. Außerdem ist der Bördelabschnitt 20 radial nach innen gebogen.
  • Bei dieser Ausführungsform ist, um die Zündkerze 1 zu verkleinern (kleinerer Durchmesser), der Durchmesser des Metallgehäuses 3 klein ausgebildet. Ferner ist eine Gewindegröße eines Gewindeabschnitts 15 relativ klein (zum Beispiel M12 oder kleiner). In Verbindung mit einem kleineren Durchmesser des Metallgehäuses 3 ist die Wanddicke des Isolators 2 relativ klein.
  • Weiterhin ist ein konisch zulaufender Stufenabschnitt 21 auf der inneren Umfangsfläche des Metallgehäuses 3 ausgebildet, um den Isolator 2 aufzunehmen, welcher an dem Stufenabschnitt 21 zur Anlage kommt. Der Isolator 2 wird vom hinteren Ende des Metallgehäuses 3 aus nach vorn in das Metallgehäuse 3 eingesetzt. In einem Zustand, in dem der Stufenabschnitt 14 des Isolators 2 an dem Stufenabschnitt 21 des Metallgehäuses 3 anliegt, wird ein am hinteren Ende befindlicher Öffnungsabschnitt des Metallgehäuses 3 radial nach innen gebördelt (d. h. es wird der oben erwähnte Bördelabschnitt 20 gebildet), wodurch der Isolator 2 an dem Metallgehäuse 3 befestigt wird. Eine ringförmige Platten- oder Blechdichtung 22 kommt zwischen dem Stufenabschnitt 14 und dem Stufenabschnitt 21 zum Einsatz. Die Platten- oder Blechdichtung 22 hält die Gasdichtigkeit eines Brennraums aufrecht. Ferner unterdrückt oder verhindert die Platten- oder Blechdichtung 22 eine Leckage von Brenngas, welches in den Zwischenraum zwischen der inneren Umfangsfläche des Metallgehäuses 3 und dem Fußabschnitt 13 des Isolators 2, welcher der Einwirkung des Brennraums ausgesetzt ist, eindringt, nach außen.
  • Ferner kommen, um die Gasdichtigkeit sicherzustellen, welche durch Bördelung hergestellt wird, ringförmige Ringelemente 23 und 24 zwischen dem Metallgehäuse 3 und dem Isolator 2 in einem Bereich in der Nähe des hinteren Endes des Metallgehäuses 3 zum Einsatz, und ein Raum zwischen den Ringelementen 23 und 24 ist mit Pulver von Talk 25 gefüllt. Das heißt, das Metallgehäuse 3 hält den Isolator 2 über die Platten- oder Blechdichtung 22, die Ringelemente 23 und 24 und den Talk 25.
  • Außerdem ist eine Masseelektrode 27 mit einem vorderen Endabschnitt 26 des Metallgehäuses 3 verbunden. Die Masseelektrode 27 ist an einem Zwischenabschnitt derselben gebogen, und ihre vordere Endfläche ist einem vorderen Endabschnitt (z B. einem Chip, nicht dargestellt) der Mittelelektrode 5 zugewandt. Ein Funkenentladungsspalt 28 ist zwischen der vorderen Endfläche der Mittelelektrode 5 (Chip 31) und dem vorderen Endabschnitt (dem anderen Endabschnitt) der Masseelektrode 27 ausgebildet, und eine Funkenentladung erfolgt an dem Funkenentladungsspalt 28 in einer Richtung ungefähr entlang der Achse CL1.
  • Ferner werden, wenn eine Bestimmung von Elementen des Isolators 2 dieser Ausführungsform mit einem vorbestimmten Elektronensonden-Mikroanalysator bezogen auf Oxide durchgeführt wird, die folgenden Ergebnisse erhalten. Das heißt, der Isolator 2 enthält einen vorbestimmten Wert von Aluminiumoxid (zum Beispiel 94 Masse-% oder mehr bis 99 Masse-% oder weniger) und einen vorbestimmten Wert von Si (zum Beispiel 0,5 Masse-% oder mehr bis 3,5 Masse-% oder weniger). Wie in 2 und 3 dargestellt, enthält der Isolator 2 Aluminiumoxidpartikel 31 und Korngrenzenphasen 32. Die Korngrenzenphase 32 ist zwischen den Aluminiumoxidpartikeln 31 positioniert.
  • Das Aluminiumoxidpartikel 31 ist hauptsächlich aus Aluminiumoxid gebildet und weist ausgezeichnete Isolationseigenschaften auf.
  • Die Korngrenzenphase 32 ist vorhanden, um den Raum zwischen den Aluminiumoxidpartikeln 31 zu füllen. Die Korngrenzenphase 32 enthält mindestens eine Art von Element, die aus einer Gruppe von Elementen der Gruppe 2A ausgewählt ist, mindestens eine Art von Element, die aus der Gruppe von Seltenerdelementen ausgewählt ist, und mindestens eine Art von Element, die aus der ersten Elementgruppe ausgewählt ist. Die Gruppe von Elementen der Gruppe 2A ist eine Gruppe, die aus Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr) und Barium (Ba) gebildet wird. Die Gruppe von Seltenerdelementen ist eine Gruppe, die aus Lanthan (La), Neodym (Nd), Praseodym (Pr), Yttrium (Y), Ytterbium (Yb) und Cer (Ce) gebildet wird. Ferner ist die erste Elementgruppe eine Gruppe, die aus Zirconium (Zr), Titan (Ti), Chrom (Cr), Niob (Nb), Mangan (Mn) und Eisen (Fe) gebildet wird.
  • Ferner wird die Elementebestimmung in einem Sichtfeld von 180 um × 250 µm bei beliebigem gegebenem Querschnitt des Isolators 2 (eines Isolator-Fußabschnitts 13 bei dieser Ausführungsform) bezogen auf Oxid mit dem EPMA durchgeführt. Es werde dann angenommen, dass eine Gesamtmenge eines Elements, das aus der Gruppe von Seltenerdelementen ausgewählt ist, X (Masse-%) beträgt, eine Gesamtmenge eines Elements, das aus der Gruppe von Elementen der Gruppe 2A ausgewählt ist, Y (Masse-%) beträgt und, eine Gesamtmenge eines Elements, das aus der ersten Elementgruppe ausgewählt ist, Z (Masse-%) beträgt. In diesem Falle ist der Isolator 2 (der Isolator-Fußabschnitts 13) so beschaffen, dass die Beziehungen 0,4 ≤ Y/X ≤ 2,0 und 0,1 ≤ Z/X ≤ 0,4 erfüllt sind. Bei dieser Ausführungsform wird die Elementebestimmung nach einem Spiegelpolieren des Querschnitts des Isolators 2 durchgeführt. Unter einem Aspekt einer Verbesserung der dielektrischen Festigkeitseigenschaften und der Beständigkeit gegen Kanalbildung des Isolators 2 mit größerer Sicherheit wird Folgendes bevorzugt. Die Gesamtmenge X beträgt vorzugsweise 0,3 Masse-% oder mehr bis 2,5 Masse-% oder weniger. Die Gesamtmenge Y beträgt vorzugsweise 0,05 Masse-% oder mehr bis 0,8 Masse-% oder weniger. Die Gesamtmenge Z beträgt vorzugsweise 0,05 Masse-% oder mehr bis 1,0 Masse-% oder weniger. Ferner wird unter einem Aspekt einer weiteren zuverlässigen Verbesserung der dielektrischen Festigkeitseigenschaften und der Beständigkeit gegen Kanalbildung Folgendes bevorzugt. Die Gesamtmenge X beträgt stärker bevorzugt 0,5 Masse-% oder mehr bis 1,5 Masse-% oder weniger. Die Gesamtmenge Y beträgt stärker bevorzugt 0,1 Masse-% oder mehr bis 0,8 Masse-% oder weniger. Die Gesamtmenge Z beträgt stärker bevorzugt 0,1 Masse-% oder mehr bis 0,3 Masse-% oder weniger.
  • Weiterhin wird in einem Sichtfeld von 180 µm × 250 µm an dem Querschnitt das Verhältnis einer Fläche, die von der Korngrenzenphase 32 eingenommen wird, zu der Fläche, die von dem Aluminiumoxidpartikel 31 eingenommen wird (das Flächenverhältnis), mit 0,02 oder mehr bis 0,06 oder weniger festgelegt. Das Flächenverhältnis kann wie folgt erhalten werden. Und zwar wird auf der Schnittfläche des Isolators 2 ein Spiegelpolieren durchgeführt. Die polierte Fläche wird mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) betrachtet (zum Beispiel mit einer Beschleunigungsspannung von 20 kV, einer Brennfleckgröße von 50, einem COMPO-Bild und einem Kompositionsbild). Somit wird ein Bild erhalten, auf dem die gesamte polierte Oberfläche aufgenommen ist. Danach wird das erhaltene Bild mit einer vorbestimmten Bildanalysesoftware analysiert (zum Beispiel Analysis Five, hergestellt von Soft Imaging System GmbH). Somit werden die Fläche, die von dem Aluminiumoxidpartikel 31 eingenommen wird, und die Fläche, die von der Korngrenzenphase 32 eingenommen wird, gemessen. Danach wird die Fläche, die von der Korngrenzenphase 32 eingenommen wird, durch die Fläche dividiert, die von dem Aluminiumoxidpartikel 31 eingenommen wird. Dadurch wird das Flächenverhältnis erhalten. Das Flächenverhältnis kann eingestellt werden, indem ein Gehalt an einem jeweiligen Bestandteil in dem Isolator 2 verändert wird.
  • Der Isolator 2 ist so beschaffen, dass er zwei oder mehr Arten von Elementen enthält, die aus der ersten Elementgruppe ausgewählt sind. Bei dieser Ausführungsform ist die Gesamtmenge Z der aus der ersten Elementgruppe ausgewählten Elemente auf 0,50 Masse-% oder weniger festgelegt.
  • Ferner ist die mittlere Korngröße der Aluminiumoxidpartikel 31 in dem Sichtfeld auf 2,0 µm oder mehr bis 4,5 µm oder weniger festgelegt. Die mittlere Korngröße der Aluminiumoxidpartikel 31 kann durch das folgende Verfahren erhalten werden. Und zwar wird der Querschnitt des Isolators 2 zehn Minuten bei einer Temperatur, die um 100°C niedriger als die Sintertemperatur des Isolators 2 ist, thermisch geätzt. Anschließend wird der Querschnitt mit dem REM betrachtet, und die Korngröße jedes Aluminiumoxidpartikels 31 wird durch ein Linienschnittverfahren erhalten. Danach wird der Mittelwert der Korngröße der einzelnen erhaltenen Aluminiumoxidpartikel 31 berechnet. Somit können die mittleren Korngrößen der Aluminiumoxidpartikel 31 gewonnen werden.
  • Der Isolator 2 wird mit einer Gummipressformmaschine (nicht dargestellt) mit einer rohrförmigen Gummiform hergestellt. Genauer, Rohmaterialpulver mit Aluminiumoxidpulver als Hauptbestandteil wird in die Gummiform eingefüllt. Weiterhin wird durch Ausüben einer Kraft von der Gummiform auf das Rohmaterialpulver entlang einer radialen Richtung das Rohmaterialpulver zusammengepresst und geformt. Somit wird ein Formkörper erhalten. Danach wird die äußere Umfangsform des Formkörpers mit einem bestimmten Schleifstein geformt. Anschließend wird der geformte Formkörper gesintert. Auf diese Weise kann der Isolator 2 erhalten werden. Die mittlere Korngröße der Aluminiumoxidpartikel 31 kann durch die folgenden Verfahren reguliert werden. Die Korngröße des in dem Rohmaterialpulver enthaltenen Aluminiumoxidpulvers wird geändert, und/oder eine Erwärmungstemperatur des Formkörpers während des Sinterprozesses wird geändert.
  • Aufgrund der oben beschriebenen Einzelheiten ist gemäß der Ausführungsform der Isolator 2 so gestaltet, dass 0,40 ≤ Y/X ≤ 2,00 erfüllt ist. Daher kann, wenn der Isolator 2 erhalten wird, eine eutektische Reaktion eines Elements, das aus der Gruppe von Elementen der Gruppe 2A ausgewählt ist, und Aluminiumoxid in ausreichendem Maße eine flüssige Phase mit niedrigem Schmelzpunkt bilden. Ferner kann eine Glasphase mit hohem Schmelzpunkt (ein Kristall), die eine Si-Komponente und ein aus der Gruppe von Seltenerdelementen ausgewähltes Element enthält, in ausreichendem Maße gebildet werden. Demzufolge kann der Isolator 2 dicht sein, was außerdem die Korngrenzenphase 32 mit hohem Schmelzpunkt sicherstellt. Infolgedessen kann der Isolator 2 ausgezeichnete dielektrische Festigkeitseigenschaften sogar unter hohen Temperaturen aufrechterhalten.
  • Ferner ist bei dieser Ausführungsform der Isolator 2 so gestaltet, dass 0,10 ≤ Z/X ≤ 0,40 erfüllt ist. Daher kann eine Leitfähigkeitseigenschaft für die Korngrenzenphase 32 gewährleistet werden, und ein übermäßiger Abfall des Isolationswiderstands der Korngrenzenphase 32 kann mit größerer Sicherheit verhindert oder verringert werden. Infolgedessen wird eine Kanalbildung wirksam verringert, und ausgezeichnete dielektrische Festigkeitseigenschaften können mit größerer Sicherheit aufrechterhalten werden.
  • Insbesondere ist bei dieser Ausführungsform die Gewindegröße des Gewindeabschnitts 15 relativ klein (zum Beispiel M12 oder kleiner), und die Wanddicke des Isolators 2 ist klein. In diesem Falle besteht in besonderem Maße die Gefahr einer Verschlechterung der dielektrischen Festigkeitseigenschaften aufgrund von Kanalbildung. Gemäß der Ausführungsform kann eine Kanalbildung jedoch wirksam verringert werden. Ferner kann eine besteht in besonderem Maße die Gefahr einer Verschlechterung der dielektrischen Festigkeitseigenschaften mit größerer Sicherheit verringert werden. Anders ausgedrückt, die oben beschriebene Konfiguration ist in einem Fall besonders wirksam, in dem die Gefahr einer Verschlechterung der dielektrischen Festigkeitseigenschaften aufgrund von Kanalbildung in besonderem Maße besteht, da die Gewindegröße des Gewindeabschnitts 15 relativ klein ist (das heißt die Wanddicke des Isolators 2 klein ist).
  • Weiterhin ist das Verhältnis der Fläche, die von der Korngrenzenphase 32 eingenommen wird, zu der Fläche, die von dem Aluminiumoxidpartikel 31 eingenommen wird (das Flächenverhältnis), mit 0,060 oder weniger festgelegt. In Anbetracht dessen kann eine Reaktion der Aluminiumoxidkomponente mit einem die Korngrenzenphase 32 bildenden Bestandteil während der Entladung verringert werden. Daher kann eine Versprödung des Isolators 2 wirksam verhindert oder verringert werden. Infolgedessen kann eine die Kanalbildung reduzierende Wirkung weiter verbessert werden. Bei dieser Ausführungsform ist das Flächenverhältnis mit 0,020 oder mehr festgelegt. Daher kann die Dichte des Isolators 2 weiter erhöht werden. Infolgedessen können die dielektrischen Festigkeitseigenschaften weiter verbessert werden.
  • In dem Isolator 2 sind zwei Elemente, die aus der ersten Elementgruppe ausgewählt sind, vorhanden. In Anbetracht dessen kann der leitende Pfad weiter verteilt an der Korngrenzenphase 32 ausgebildet werden. Daher kann während der Entladung erzeugte Energie (Wärme) wirksam weiter verringert werden. Infolgedessen kann die Beständigkeit gegen Kanalbildung weiter verbessert werden.
  • Ferner ist bei dieser Ausführungsform die mittlere Korngröße der Aluminiumoxidpartikel 31 auf 4,5 µm oder weniger festgelegt. Daher können die leitenden Pfade bei der Vielzahl von Isolatoren mit größerer Sicherheit annähernd die gleiche Länge haben. Infolgedessen kann die Schwankung der dielektrischen Festigkeitseigenschaften bei der Vielzahl von Isolatoren 2 wirksam verringert werden. Infolgedessen können die Isolatoren 2 stabil ausgezeichnete dielektrische Festigkeitseigenschaften erreichen.
  • Die mittlere Korngröße der Aluminiumoxidpartikel 31 ist auf 2,0 µm oder mehr festgelegt. In Anbetracht dessen kann eine Verstopfung der Poren des Schleifsteins während der Fertigung wirksam verhindert oder verringert werden. Infolgedessen kann ein Absinken der Produktivität mit größerer Sicherheit verhindert oder vermindert werden.
  • Als Nächstes wurden, um die Funktion der oben beschriebenen Ausführungsform und die durch sie erreichte Wirkung zu bestätigen, mehrere Probestücke (Muster) hergestellt. An jedem Probestück wurden eine Prüfung zur Beurteilung dielektrischer Festigkeitseigenschaften und die Prüfung zur Beurteilung der Beständigkeit gegen Kanalbildung durchgeführt. Bei diesen Probestücken wurden die Gesamtmenge eines Elements, das aus der Gruppe von Seltenerdelementen ausgewählt ist, X (Masse-%), die Gesamtmenge eines Elements, das aus der Gruppe von Elementen der Gruppe 2A ausgewählt ist, Y (Masse-%), die Gesamtmenge eines Elements, das aus der ersten Elementgruppe ausgewählt ist, Z (Masse-%), das Verhältnis der Fläche, die von der Korngrenzenphase eingenommen wird, zu der Fläche, die von dem Aluminiumoxidpartikel eingenommen wird (das Flächenverhältnis), und die mittlere Korngröße von Aluminiumoxidpartikeln verschiedenartig geändert. Die Gesamtmengen X, Y und Z wurden durch Elementebestimmung in einem Sichtfeld von 180 um × 250 µm bei beliebigem gegebenem Querschnitt der Probestücke bezogen auf Oxid mit dem Elektronensonden-Mikroanalysator (EPMA) angegeben.
  • Der grundsätzliche Ablauf der Prüfung zur Beurteilung dielektrischer Festigkeitseigenschaften besteht in Folgendem. Und zwar wurde, wie in 4 dargestellt, ein Probestück 100 durch Endabschnitte von stabförmigen Elektroden 102 und 103 in einem Heizkasten 101 sandwichartig eingeschlossen. Das Probestück 100 wurde mit aus Aluminiumoxid und einer Glasdichtung 106 hergestellten isolierenden Rohren 104 und 105 gesichert. Als Nächstes wurde das Innere des Wärmekastens 101 mit elektrischen Heizern 107 und 108 auf 700°C oder 800°C erwärmt. Anschließend wurde mit einem bestimmten Hochspannungsgenerator 109 eine Hochspannung zwischen den beiden Elektroden 102 und 103 angelegt. Es wurde eine Spannung gemessen, wenn eine Entladung das Probestück 100 zwischen den Elektroden 102 und 103 durchdringt. Danach wurde die gemessene Spannung durch die Dicke des Probestücks 100 dividiert (die Dicke der Probestücke betrug 0,65 mm). Somit wurde die dielektrische Festigkeit pro 1 mm Dicke (kV/mm) erhalten. Ferner wurden Mittelwerte (Ave) und Standardabweichungen (s) der dielektrischen Festigkeit an den Probestücken 100 mit derselben Gesamtmenge X berechnet. Der Mittelwert der dielektrischen Festigkeit bei der Erwärmungstemperatur von 800°C wurde von dem Mittelwert der dielektrischen Festigkeit bei der Erwärmungstemperatur von 700°C subtrahiert. Der durch diese Subtraktion erhaltene Wert wurde durch den Mittelwert der dielektrischen Festigkeit bei der Erwärmungstemperatur von 700°C dividiert. Auf diese Weise wurde eine Abnahmerate der dielektrischen Festigkeit (Durchschlagfestigkeits-Abnahmerate) berechnet. Eine kleine Durchschlagfestigkeits-Abnahmerate bedeutet, dass es weniger wahrscheinlich ist, dass sich die dielektrischen Festigkeitseigenschaften verschlechtern, selbst wenn das Probestück 100 sogar noch höheren Temperaturen ausgesetzt wird. Dies bedeutet außerdem, dass ausgezeichnete dielektrische Festigkeitseigenschaften unter hohen Temperaturen mit größerer Sicherheit aufrechterhalten werden können.
  • Der grundsätzliche Ablauf der Prüfung zur Beurteilung der Beständigkeit gegen Kanalbildung besteht in Folgendem. Und zwar wurde, wie in 5A dargestellt, ein Probestück 110 von 10 mm × 10 mm × 3 mm durch Endabschnitte von stabförmigen (nadelförmigen) Elektroden 111 und 112 sandwichartig eingeschlossen (die Elektroden 111 und 112 berührten das Probestück 110). In diesem Zustand wurde eine Spannung von 10 kV oder 20 kV zwischen den beiden Elektroden 111 und 112 angelegt. Die dadurch erzeugte Entladung findet entlang der Oberfläche des Probestücks 110 zwischen den beiden Elektroden 111 und 112 statt (durch die fette Linie in 5B dargestellt). Dies wurde 20 Stunden lang wiederholt durchgeführt. [Durch wiederholtes Erzeugen von Entladungen wurde, wie in 5B dargestellt, ein auf dem Entladungsweg positionierter Teil des Probestücks 110 weggeschnitten]. Danach, nach Ablauf von 20 Stunden, wurde das Gewicht des Probestücks 110 gemessen. Es wurde ein Betrag der Verkleinerung des Probestücks 110 (eine weggeschnittene Menge oder Verschleißmenge) in Bezug auf das Gewicht des Probestücks 110 vor den Prüfungen gemessen. Eine geringe weggeschnittene Menge bedeutet, dass das Auftreten einer Kanalbildung weniger wahrscheinlich ist, da der Isolator während der Entladung keinem so starken Verschleiß unterliegt.
  • Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der beiden Prüfungen. Jedes Probestück enthält hauptsächlich Aluminiumoxid und enthält Si.
    Figure DE102014106313B4_0007
  • Wie in Tabelle 1 dargestellt, wurde bestätigt, dass das Probestück, bei dem Y/X kleiner als 0,40 ist (das Probestück 1), eine Verschlechterung hinsichtlich der dielektrischen Festigkeitseigenschaften erfuhr. Es wird angenommen, dass dies auf Folgendes zurückzuführen ist. Da während des Sinterns eine flüssige Phase mit niedrigem Schmelzpunkt nicht in ausreichendem Maße gebildet werden konnte, wurde eine Abnahme der Dichte bewirkt (es wurden relativ viele Poren an der Korngrenzenphase gebildet).
  • Für das Probestück, bei dem Y/X größer als 2,00 ist (das Probestück 5), wurde ebenfalls festgestellt, dass eine Verschlechterung hinsichtlich der dielektrischen Festigkeitseigenschaften eintritt. Es wird angenommen, dass dies aufgrund dessen der Fall ist, dass die Korngrenzenphase keinen ausreichend hohen Schmelzpunkt hatte.
  • Ferner wurde ersichtlich, dass die weggeschnittenen Mengen der Probestücke, bei denen Z/X kleiner als 0,10 ist (der Probestücke 1 bis 6), bei der Prüfung zur Beurteilung der Beständigkeit gegen Kanalbildung erhöht waren. Dies weist darauf hin, dass das Auftreten von Kanalbildung wahrscheinlich ist. Es wird angenommen, dass dies auf Folgendes zurückzuführen ist. Da der Isolationswiderstand der Korngrenzenphase groß war, wurde die in Verbindung mit der Entladung erzeugte Energie groß.
  • Außerdem wurde festgestellt, dass das Probestück, bei dem Z/X größer als 0,40 ist (das Probestück 7), eine Verschlechterung hinsichtlich der dielektrischen Festigkeitseigenschaften erfuhr. Dies wurde wahrscheinlich durch die Eigenschaft einer übermäßig hohen Leitfähigkeit der Korngrenzenphase verursacht.
  • Im Gegensatz hierzu wurde festgestellt, dass die Probestücke, die den Bedingungen 0,40 ≤ Y/X ≤ 2,00 und 0,10 ≤ Z/X ≤ 0,40 genügen (die Probestücke 8 bis 34), ausgezeichnete dielektrische Festigkeitseigenschaften aufwiesen. (Insbesondere lag der Mittelwert der dielektrischen Festigkeit bei der Erwärmungstemperatur von 700 °C über 90 kV/mm, und er betrug 79 kV/mm bei der Erwärmungstemperatur von 800 °C.) Ferner wurde festgestellt, dass diese Probestücke ausgezeichnete Eigenschaften hinsichtlich der Beständigkeit gegen Kanalbildung aufwiesen. (Insbesondere lag die weggeschnittene Menge unter 4,0 mg bei einer angelegten Spannung von 10 kV, und die weggeschnittene Menge lag unter 8,0 mg bei der angelegten Spannung von 20 kV). Es wird angenommen, dass dies auf Folgendes zurückzuführen ist. Das Erfüllen von 0,40 ≤ Y/X ≤ 2,00 verbesserte die dielektrischen Festigkeitseigenschaften. Außerdem stellte das Erfüllen von 0,10 ≤ Z/X ≤ 0,40 eine Verringerung der Energie sicher, die in Verbindung mit einer Entladung erzeugt wird, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung ausgezeichneter dielektrischer Festigkeitseigenschaften.
  • Ferner wurden die Probestücke mit demselben Wert von Z/X und unterschiedlichen Flächenverhältnissen (die Probestücke 8 und 25) unter dem Aspekt der Beständigkeit gegen Kanalbildung verglichen. Im Ergebnis wurde bestätigt, dass das Probestück mit dem Flächenverhältnis von 0,060 oder weniger (das Probestück 25) hervorragendere Eigenschaften hinsichtlich der Beständigkeit gegen Kanalbildung aufweist. Es wird angenommen, dass dies auf Folgendes zurückzuführen ist. Die Reaktion von Aluminiumoxidpartikeln mit der Korngrenzenphase in Verbindung mit einer Entladung wurde verringert, und die Versprödung des Probestücks (Musters) wurde wirksam reduziert.
  • Weiterhin wurden die Probestücke mit demselben Wert von Y/X und unterschiedlichen Flächenverhältnissen (die Probestücke 20 bis 22) unter dem Aspekt dielektrischer Festigkeitseigenschaften verglichen. Im Ergebnis wurde festgestellt, dass das Probestück mit dem Flächenverhältnis von 0,020 oder mehr (das Probestück 20) stärker verbesserte dielektrische Festigkeitseigenschaften aufweist. Es wird angenommen, dass dies auf Folgendes zurückzuführen ist. Da die Korngrenzenphase ausreichend ausgebildet war, wurde die Dichte des Probestücks (Musters) weiter verbessert.
  • Die weggeschnittenen Mengen der Probestücke, die zwei oder mehr Arten von Elementen enthalten, die aus der ersten Elementgruppe ausgewählt sind (der Probestücke 29 bis 34), lagen bei der Erwärmungstemperatur von 700 °C weit unter 3,0 mg. Weiterhin lag die weggeschnittene Menge bei der Erwärmungstemperatur von 800 °C unter 6,0 mg. Das heißt, es wurde ersichtlich, dass diese Probestücke in hohem Maße ausgezeichnete Eigenschaften hinsichtlich der Beständigkeit gegen Kanalbildung aufweisen. Es wird angenommen, dass dies auf Folgendes zurückzuführen ist. Da die an der Korngrenzenphase gebildeten leitenden Pfade weiter verteilt waren, wurde die in Verbindung mit der Entladung erzeugte Energie (Wärme) weiter verringert.
  • Ferner wurde festgestellt, dass die Proben mit der mittleren Korngröße der Aluminiumoxidpartikel von 4,5 µm oder weniger (die Proben 32 bis 34) eine signifikant kleine Standardabweichung (s) der dielektrischen Festigkeit aufwiesen, wodurch stabil ausgezeichnete dielektrische Festigkeitseigenschaften erreicht wurden. Es wird angenommen, dass dies auf Folgendes zurückzuführen ist. Die Länge des Entladungsweges zwischen einem Anfangspunkt der Entladung und einem Endpunkt der Entladung in jedem Probestück (Muster) wurde annähernd gleich.
  • Unter einem Aspekt der Verhinderung oder Verringerung einer Abnahme der Produktivität beträgt die mittlere Korngröße von Aluminiumoxidpartikeln vorzugsweise 2,0 µm oder mehr.
  • Aus den Prüfungsergebnissen ist ersichtlich, dass, um ausgezeichnete Merkmale sowohl hinsichtlich der dielektrischen Festigkeitseigenschaften als auch der Beständigkeit gegen Kanalbildung zu erreichen, der Isolator vorzugsweise so beschaffen ist, dass er den Bedingungen 0,40 ≤ Y/X ≤ 2,00 und 0,10 ≤ Z/X ≤ 0,40 genügt.
  • Unter einem Aspekt der weiteren Verbesserung der Beständigkeit gegen Kanalbildung ist es stärker bevorzugt, dass das Verhältnis der Fläche, die von der Korngrenzenphase eingenommen wird, zu der Fläche, die von dem Aluminiumoxidpartikel eingenommen wird, 0,060 oder weniger beträgt.
  • Außerdem ist es, um die Beständigkeit gegen Kanalbildung weiter zu verbessern, stärker bevorzugt, dass der Isolator so beschaffen ist, dass er zwei oder mehr Arten von Elementen enthält, die aus der ersten Elementgruppe ausgewählt sind.
  • Außerdem ist es, um die dielektrischen Festigkeitseigenschaften weiter zu verbessern, stärker bevorzugt, dass das Verhältnis der Fläche, die von der Korngrenzenphase eingenommen wird, zu der Fläche, die von dem Aluminiumoxidpartikel eingenommen wird, 0,020 oder mehr beträgt.
  • Um stabile, ausgezeichnete dielektrische Festigkeitseigenschaften zu erreichen, ist es stärker bevorzugt, dass die mittlere Korngröße der Aluminiumoxidpartikel 4,5 µm oder weniger beträgt.
  • Die Verfahrensweise der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die für die Ausführungsform beschriebene Verfahrensweise beschränkt, sondern kann zum Beispiel wie folgt gestaltet werden. Natürlich sind Anwendungen und Modifikationen, die von den nachfolgend beispielhaft dargestellten verschieden sind, ebenfalls möglich. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die Patentansprüche bestimmt.
  • (a) Bei der Ausführungsform ist die Zündkerze 1 von einem Typ, welcher gewöhnlich Entladungen an einem Funkenentladungsspalt 28 in der Luft erzeugt (ein sogenannter Parallelelektroden-Typ). Zündkerzen, bei denen diese Offenbarung angewendet werden kann, sind nicht hierauf beschränkt. Daher kann zum Beispiel, wie in 6 dargestellt, die technische Idee dieser Offenbarung auf eine sogenannte Zündkerze vom Oberflächenentladungs-Typ 35 angewendet werden. Bei dieser Zündkerze 35 ist eine vordere Endfläche einer Masseelektrode 36 der äußeren Umfangsfläche an der vorderen Endseite der Mittelelektrode 5 zugewandt. Ferner verläuft ein Teil des Entladungsweges entlang der Oberfläche des Isolators 2. Zum Beispiel kann, wie in 7 dargestellt, die technische Idee dieser Offenbarung auf eine Plasmastrahl-Zündkerze 37 angewendet werden. Bei dieser Plasmastrahl-Zündkerze 37 ist ein vorderes Ende einer Mittelelektrode 38 in Bezug auf das vordere Ende des Isolators 2 rückseitig positioniert, d. h. zurückstehend. Bei dieser Zündkerze 37 wird eine Entladung zwischen der Mittelelektrode 38 und der Masseelektrode 39 erzeugt, und danach wird elektrische Energie zwischen den beiden Elektroden 38 und 39 eingespeist. Dies erzeugt Plasma. Eine Anwendung der technischen Idee dieser Offenbarung kann eine Kanalbildung auch bei den Zündkerzen 35 und 37 mit größerer Sicherheit verringern. Infolgedessen kann eine Verschlechterung der dielektrischen Festigkeitseigenschaften und der mechanischen Festigkeit wirksam verhindert oder verringert werden.
  • (b) Bei der Ausführungsform ist die Gewindegröße des Gewindeabschnitts 15 relativ klein (zum Beispiel M12 oder kleiner). Die Gewindegröße des Gewindeabschnitts 15 unterliegt jedoch keinen speziellen Einschränkungen.
  • (c) Die Ausführungsform beschreibt speziell den Fall, in dem eine Masseelektrode 27 mit einem vorderen Endabschnitt 26 des Metallgehäuses 3 verbunden ist. Die Masseelektrode kann jedoch auch durch einen Schneidvorgang aus einem Teil des Metallgehäuses gebildet sein (oder einem Teil eines vorderen Metallgehäuses, die im Voraus an das Metallgehäuse angeschweißt wird). Die Verfahrensweise dieser Offenbarung ist auch für eine Zündkerze mit einer solchen Masseelektrode anwendbar (siehe zum Beispiel JP-A-2006-236906 ).
  • (d) Bei der Ausführungsform weist ein Werkzeugeingriffsabschnitt 19 einen sechseckigen Querschnitt auf. Die Form des Werkzeugeingriffsabschnitts 19 ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Zum Beispiel kann der Werkzeugeingriffsabschnitt 19 eine BI-HEX-Form (eine modifizierte zwölfeckige Form) haben [ISO 22977: 2005(E)].
  • Die vorstehende detaillierte Beschreibung wurde zu Zwecken der Veranschaulichung und Erläuterung gegeben. In Anbetracht der obigen Lehren sind viele Modifikationen und Variationen möglich. Die Beschreibung soll nicht erschöpfend sein oder den hier beschriebenen Gegenstand auf die exakte offenbarte Form einschränken. Obwohl der Gegenstand in einer Sprache beschrieben worden ist, die für strukturelle Merkmale und/oder methodologische Vorgänge spezifisch ist, versteht es sich, dass der Gegenstand, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, nicht notwendigerweise auf die oben beschriebenen speziellen Merkmale oder Vorgänge beschränkt ist. Vielmehr sind die oben beschriebenen speziellen Merkmale und Vorgänge als beispielhafte Formen einer Implementierung der beigefügten Ansprüche offenbart.

Claims (8)

  1. Isolator für eine Zündkerze (2), dessen Hauptbestandteil Aluminiumoxid ist und der Silizium enthält, umfassend eine Korngrenzenphase (32), die zwischen Aluminiumoxidpartikeln (31) positioniert ist, wobei die Korngrenzenphase (32) enthält: mindestens eine Art von Elementen, die aus einer Gruppe von Elementen der Gruppe 2A ausgewählt ist, die aus Magnesium, Calcium, Strontium und Barium besteht; mindestens eine Art von Elementen, die aus einer Gruppe von Seltenerdelementen ausgewählt ist, die aus Lanthan, Neodym, Praseodym, Yttrium, Ytterbium und Cer besteht; und mindestens eine Art von Elementen, die aus einer ersten Elementgruppe ausgewählt ist, die aus Zirconium, Titan, Chrom, Niob, Mangan und Eisen besteht, wobei unter der Annahme, dass eine Elementbestimmung in einem Sichtfeld von 180 µm × 250 µm bei beliebigem gegebenem Querschnitt bezogen auf Oxide mit einem Elektronensonden-Mikroanalysator (Electron Probe Microanalyzer, EPMA) durchgeführt wird, und unter der Annahme, dass eine Gesamtmenge eines Elements, das aus der Gruppe von Seltenerdelementen ausgewählt ist, X (Masse-%) beträgt, eine Gesamtmenge eines Elements, das aus der Gruppe von Elementen der Gruppe 2A ausgewählt ist, Y (Masse-%) beträgt, und eine Gesamtmenge eines Elements, das aus der ersten Elementgruppe ausgewählt ist, Z (Masse-%) beträgt, folgende Beziehungen erfüllt sind: 0,40 ≤ Y/X ≤ 2,00,
    Figure DE102014106313B4_0008
     0,10 ≤ Z/X ≤ 0,40.
    Figure DE102014106313B4_0009
  2. Isolator für eine Zündkerze (2) nach Anspruch 1, wobei in dem Sichtfeld ein Verhältnis einer Fläche, die von der Korngrenzenphase (32) eingenommen wird, zu einer Fläche, die von dem Aluminiumoxidpartikel (31) eingenommen wird, 0,020 oder mehr bis 0,060 oder weniger beträgt.
  3. Isolator für eine Zündkerze (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwei oder mehr Arten von Elementen, die aus der ersten Elementgruppe ausgewählt sind, vorhanden sind.
  4. Isolator für eine Zündkerze (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in dem Sichtfeld eine mittlere Korngröße der Aluminiumoxidpartikel (31) 2,0 µm oder mehr bis 4,5 µm oder weniger beträgt.
  5. Isolator für eine Zündkerze (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Gesamtmenge X 0,3 Masse-% oder mehr bis 2,5 Masse-% oder weniger beträgt.
  6. Isolator für eine Zündkerze (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Gesamtmenge Y 0,05 Masse-% oder mehr bis 0,8 Masse-% oder weniger beträgt.
  7. Isolator für eine Zündkerze (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Gesamtmenge Z 0,05 Masse-% oder mehr bis 1,0 Masse-% oder weniger beträgt.
  8. Zündkerze (1), umfassend einen Isolator für eine Zündkerze (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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