DE60204388T2

DE60204388T2 - Zündkerze

Info

Publication number: DE60204388T2
Application number: DE60204388T
Authority: DE
Inventors: Toshitaka Mizuho-ku Honda
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2022-07-06
Also published as: KR20030005028A; KR100859068B1; DE60204388D1; EP1274157B1; BRPI0202584B1; US6744189B2; JP4578025B2; US20030030355A1; CN1396687A; CN100346545C; JP2003022886A; EP1274157A1; BR0202584A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze zum Einsatz in einen Verbrennungsmotor.
Es ist üblich, eine Zündkerze zu verwenden, welche so konfiguriert ist, dass ein metallisches Anschlußteil in einen Endabschnitt eines Durchgangsloches eingesetzt ist, welches in einem Isolator axial gebildet ist, wobei eine Mittelelektrode in den anderen Endabschnitt des Durchgangsloches eingesetzt ist, und wobei das metallische Anschlußteil und die Mittelelektrode innerhalb des Durchgangsloches in einem abgedichteten Zustand durch Verwendung eines leitfähigen Dichtungsmaterials sicher und starr gehalten sind. Innerhalb des in dem Isolator ausgebildeten Durchgangsloches können das metallische Anschlußteil und die Mittelelektrode direkt miteinander mittels des leitfähigen Dichtungsmaterials verbunden werden, oder sie können so verbunden werden, dass ein Widerstand zwischen einer leitfähigen Dichtungsmaterialschicht auf der Seite des metallischen Anschlußteiles und einer Schicht auf der Seite der Mittelelektrode angeordnet ist. Das leitfähige Dichtungsmaterial ist allgemein ein Gemisch aus Metall und Basisglas; insbesondere sind metallische Partikel innerhalb der Glasmatrix in einem netzwerkartigen Kontakt miteinander verteilt, wodurch eine elektrisch leitfähige Eigenschaft des Glases erzielt wird, welches in sich selbst elektrisch isolierend ist, so dass ein Verbundwerkstoff erreicht wird.
In den letzten Jahren sind die meisten Isolatoren für den Gebrauch bei Zündkerzen aus Aluminiumoxidkeramik gebildet worden, welches eine exzellente Durchschlagsfestigkeit aufweist. In letzter Zeit ist das metallische Anschlußteil der Mittelelektrode aus einem Metall gebildet worden, welches eine vorherrschende Menge aus z. B. Fe oder Ni besitzt. Somit besitzt der Isolator einen li nearen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der sich deutlich von jenem des metallischen Anschlußteiles oder jenem der Mittelelektrode unterscheidet (z. B. besitzt Aluminiumoxid einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 7,3 × 10^–6/°C, wohingegen Fe und Ni einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 12–14 × 10^–6/°C besitzen). Wenn daher zum Beispiel während des Gebrauchs eine Zündkerze, welche auf hohe Temperaturen erwärmt worden ist, abgekühlt wird, zieht sich das metallische Anschlußteil der Mittelelektrode stärker zusammen als der Isolator. Wenn in diesem Fall das leitfähige Dichtungsmaterial nicht in der Lage ist, die Kontraktion mit auszuführen, kann das Material reißen oder einen ähnlichen Defekt erleiden. Üblicherweise ist das leitfähige Dichtungsmaterial ein Gemisch aus Metall und Glas (anorganisches Material), so dass ein mittlerer linearer Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen dem linearen Wärmeausdehnungskoeffizient des Isolators und jenem des metallischen Anschlußteiles oder der Mittelelektrode liegt, wodurch ein Unterschied in der Kontraktion zwischen diesen Teilen auf ein bestimmtes Ausmaß reduziert wird.
Jedoch sind in den letzten Jahren Motoren, in denen Zündkerzen zum Einsatz kommen, entwickelt worden, die eine hohe Leistungsabgabe zusammen mit einem Anstieg im Verdichtungsverhältnis eines Luftkraftstoffgemisches aufweisen, wodurch Dichtungsmaterialien erforderlich wurden, um ein höheres Dichtungsvermögen zu schaffen. Ferner ist bei neueren Motoren ein Mechanismus um den Zylinderkopf, in dem Zündkerzen montiert sind, komplizierter geworden, und somit ist der Montageraum für Zündkerzen kleiner geworden. Daher besteht ein starker Wunsch danach, eine Verringerung der Zündkerzengröße zu erreichen. Eine Verringerung in der Zündkerzengröße führt zu einer Verringerung der Isolatorgröße und somit zu einer Verringerung im Durchmesser eines Durchgangsloches, welches in dem Isolator ausgebildet ist. Wenn demgemäß der Verbrennungsdruck eines Motors auf die Mittelelektrode einer derart in der Größe reduzierten Zündkerze aufgebracht wird, nimmt das Verhältnis aus Kraft pro Flächeneinheit, welches auf das Dichtungsmaterial aufgebracht wird, welches innerhalb des Durchgangsloches vorgesehen ist, zu. Im Hinblick auf diese Zunahme wie auch auf die Zunahme im Verdichtungsverhältnis eines Luftkraftstoffgemisches reichen konventionelle Spezifikationen ei nes leitfähigen Dichtungsmaterials nicht mehr aus, um die höheren Anforderungen zu erfüllen.
EP-A-0959540 offenbart eine Zündkerze des oben beschriebenen Typs, wobei sie gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ausgebildet ist.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Zündkerze zu schaffen, welche im Stande ist, ein genügend hohes Dichtungsvermögen mittels eines leitfähigen Dichtungsmaterials zu schaffen, sogar wenn der Durchmesser eines Durchgangsloches, welches in einem Isolator ausgebildet ist, klein ist, und welche im Stande ist, eine hinreichende Haltbarkeit sogar beim Einsatz in einem Motor mit hoher Leistungsabgabe zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Zündkerze, bei der ein metallisches Anschlußteil und eine Mittelelektrode mittels eines leitfähigen Dichtungsmaterials innerhalb eines Durchgangsloches, welches in einem Isolator axial ausgebildet ist, sicher und starr gehalten sind, wobei der Isolator aus Aluminiumoxidkeramik gebildet ist und ein Durchmesser des Durchgangsloches an einer Position, wo das leitfähige Dichtungsmaterial angeordnet ist, nicht größer als 4 mm ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Längenausdehnungskoeffizient des leitfähigen Dichtungsmaterials auf weniger als 6,8 × 10^–6/°C eingestellt ist. Bei der vorliegenden Erfindung weist die Aluminiumoxidkeramik ein Aluminiumoxid in einer Menge von nicht weniger als 80 Massenprozent auf, und der Längenausdehnungskoeffizient ist ein solcher Längenausdehnungskoeffizient, der durch Mittelwertbildung im Bereich von 20°C–350°C erzielt wird.
Wie zuvor erwähnt worden ist, besitzt Aluminiumoxid, welches verwendet wird, um einen Isolator zu bilden, einen Längenausdehnungskoeffizienten oder linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 7 × 10^–6/°C; und eine konventionelle Zündkerze verwendet ein leitfähiges Dichtungsmaterial (im folgenden nur als ein Dichtungsmaterial bezeichnet) mit einem mittleren Längenausdehnungskoeffizienten zwischen dem Längenausdehnungskoeffizienten von Aluminiumoxid und jenem eines Metalls, welches verwendet wird, um ein metallisches Anschlußteil oder eine Mittelelektrode zu bilden. Während eines Ab kühlungsprozesses von einer hohen Temperatur, wie dies in 8(a) dargestellt ist, zieht sich in diesem Fall das Dichtungsmaterial stärker zusammen als der Isolator, welcher aus Aluminiumoxidkeramik gebildet ist; als Folge davon verbleibt eine Zugspannung, welche durch die unterschiedliche Kontraktion zwischen dem Dichtungsmaterial und dem Isolator induziert worden ist, in dem Dichtungsmaterial an seiner Haftungsoberfläche zum Isolator auf der Innenoberfläche eines Durchgangsloches, welches in dem Isolator ausgebildet ist, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass z. B. das Dichtungsmaterial bricht oder vom Isolator getrennt wird. Wenn demgemäß eine gering dimensionierte Zündkerze, deren Durchgangsloch einen Durchmesser von nicht größer als 4 mm besitzt, z. B. in einen Motor eingesetzt wird, welcher bei einer hohen Leistungsabgabe betrieben wird und ein hohes Verdichtungsverhältnis besitzt, gelingt es der Zündkerze nicht, eine ausreichende Standzeit zu erzielen. Wenn sich das Dichtungsmaterial in einem beträchtlichen Ausmaß radial zusammenzieht, trennt sich das Dichtungsmaterial von der Innenoberfläche des Durchgangsloches, welches in dem Isolator ausgebildet ist, was möglicherweise dazu führt, dass eine Gasdichtheit beeinträchtigt wird oder die Haltbarkeit des Dichtungsmaterials selbst beeinträchtigt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist jedoch der Längenausdehnungskoeffizient des Dichtungsmaterials so eingestellt, dass er geringer ist als der Längenausdehnungskoeffizient von Aluminiumoxid; insbesondere ist er geringer als 6,8 × 10^–6/°C. während des Abkühlungsprozesses wird daher, wie aus 8(b) ersichtlich ist, das Verhältnis in der Stärke der Kontraktion zwischen dem Dichtungsmaterial und dem Isolator umgekehrt im Vergleich zu einer konventionellen Zündkerze; d. h. eine Druckbeanspruchung, welche vorteilhaft ist, um die Bildung eines Brechens zu unterdrücken, verbleibt im Dichtungsmaterial. Als Folge davon kann sogar, wenn eine gering dimensionierte Zündkerze, deren Durchgangsloch einen Durchmesser von nicht größer als 4 mm besitzt, in einem Motor zum Einsatz kommt, welcher z. B. bei einer hohen Leistungsabgabe und mit hohem Verdichtungsverhältnis betrieben wird, ein Haftungsabschnitt des Dichtungsmaterials eine genügende Haltbarkeit erreichen, und somit kann über eine lange Zeitdauer eine gute Gasdichtheit beibehalten werden. Außerdem wird eine radiale Kontraktion des Dichtungsmaterials unterdrückt, wodurch eine Wahrscheinlichkeit niedrig gehalten wird, dass das Dichtungsmaterial von der Innenoberfläche des Durchgangsloches, welches in dem Isolator ausgebildet ist, abgetrennt wird, was zur Bildung eines Zwischenraumes führt. Vorzugsweise ist der Längenausdehungskoeffizient des Dichtungsmaterials so eingestellt, dass sie nicht größer als 6,0 × 10^–6/°C beträgt.
Wenn der Längenausdehnungskoeffizient des Dichtungsmaterials kleiner als 6,8 × 10^–6/°C ist, wird die oben beschriebene Wirkung nicht gut genug erreicht. Es gibt keine besondere Begrenzung im Hinblick auf die untere Grenze des Längenausdehnungskoeffezienten des Dichtungsmaterials; jedoch ist die untere Grenze, welche durch die Auswahl des Materials erreichbar ist, durch das Material selbst bestimmt. Die Erfinder haben anhand von Untersuchungen festgestellt, dass ein Dichtungsmaterial eingesetzt werden kann, welches einen Längenausdehnungskoeffizienten besitzt, der z. B. bis zu etwa 3,0 × 10^–6/°C abgesenkt sein kann.
Das leitfähige Dichtungsmaterial kann insbesondere Basisglas, einen leitfähigen Füllstoff und einen isolierenden Füllstoff aufweisen, und um den oben beschriebenen Längenausdehnungskoeffizient des leitfähigen Dichtungsmaterials zu erzielen, kann der isolierende Füllstoff ein anorganisches Material aufweisen, welches einen Längenausdehnungskoeffizienten besitzt, der niedriger als der Längenausdehnungskoeffizient von Aluminiumoxid ist. Um vorzugsweise den Längenausdehnungskoeffizienten des leitfähigen Dichtungsmaterials auf einen niedrigeren Wert abzusenken, ist der leitfähige Füllstoff aus einem anorganischen Material gebildet, welches einen Längenausdehnungskoeffizienten besitzt, der niedriger als der Längenausdehnungskoeffizient von dem Basisglas ist.
Wie im Falle eines konventionellen leitfähigen Dichtungsmaterials kann das Basisglas Glas sein, welches eine vorherrschende Menge Oxid aufweist, wie z. B. Borsilikatglas. In diesem Fall erreicht ein isolierender Füllstoff, welcher aus einem als Oxid vorliegenden anorganischen Material ausgebildet ist, eine deutliche Affinität zum Basisglas, so dass der isolierende Füllstoff somit vorteilhaft ist, um eine Dichtungsstruktur mit ausgezeichneter Festigkeit und Gasdichtheit zu realisieren. Z. B. können bei der vorliegenden Erfindung vorzugs weise als ein als Oxid vorliegendes anorganisches Material eine Substanz oder mehrere Substanzen verwendet werden, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, welche β-Eurkryptit, β-Spodumen, Keatit, Siliziumdioxid, Mullit, Cordierit, Zirkon und Aluminiumtitanat aufweist.
Wenn ein zu verwendender isolierender Füllstoff aus einem als Oxid vorliegenden anorganischen Material gebildet ist, welches einen Längenausdehnungskoeffizienten besitzt, der niedriger ist als der Längenausdehnungskoeffizient von Aluminiumoxid, bedecken in der Mikrostruktur des leitfähigen Dichtungsmaterials, wenn dies im Querschnitt betrachtet wird, isolierende Füllstoffpartikel mit einer Partikelgröße von 100–350 μm vorzugsweise einen Flächenanteil von 2–40% in der Mikrostruktur. Die Partikelgröße bei der Aussage "die Partikelgröße eines Partikels des isolierenden Füllstoffes, wenn dieser in der Mikrostruktur eines Querschnittes betrachtet wird" wird durch den Kreisdurchmesser repräsentiert, welcher eine Fläche besitzt, die identisch zu der Fläche des Partikels ist, das im Querschnitt erscheint.
Die Verwendung eines isolierenden Füllstoffes, der aus einem als Oxid vorliegenden anorganischen Material ausgebildet ist, welcher einen Längenausdehnungskoeffizienten besitzt, der kleiner ist als der Längenausdehnungskoeffizient von Aluminiumoxid, kann den Längenausdehnungskoeffizienten des leitfähigen Dichtungsmaterials deutlich unter den Längenausdehnungskoeffizienten des Isolators senken, der aus Aluminiumoxidkeramik gebildet ist, und somit ist dies vorteilhaft, um eine Haltbarkeit eines Haftungsabschnittes des Dichtungsmaterials beizubehalten. Die oben beschriebene Einstellung bezüglich der Anwesenheit des isolierenden Füllstoffes, wie er in der Mikrostruktur eines Querschnittes des Dichtungsmaterials beobachtet wird, erhöht das Dichtungsvermögen und die Haltbarkeit des Dichtungsmatrials beträchtlich. Sogar wenn z. B. eine gering dimensionierte Zündkerze, deren Durchgangsloch einen Durchmesser von nicht größer als 4 mm besitzt, in einem Motor zum Einsatz kommt, der mit hoher Leistungsabgabe und bei hohem Verdichtungsverhältnis betrieben wird, kann die Zündkerze eine hohe Gasdichtheit über eine lange Zeitdauer beibehalten.
Wenn in der Mikrostruktur des Dichtungsmaterials, wenn dies in einem Querschnitt des Dichtungsmaterials betrachtet wird, Partikel des isolierenden Füllstoffes mit einer Partikelgröße von 100–350 μm einen Flächenanteil von weniger als 2% abdecken, zeigt dies an, dass unter Partikeln des isolierenden Füllstoffes, die aus einem als Oxid vorliegenden anorganischen Material ausgebildet sind, jene Partikel mit einer geringen Partikelgröße (z. B. Partikel mit einer Partikelgröße kleiner als 50 μm) in dem Basisglas geschmolzen sind, wobei dies in einem Dichtungsschritt erfolgt ist, bei dem Wärme aufgebracht wurde. Als Folge davon erhöht sich der Erweichungspunkt des Dichtungsmaterials beträchtlich, was dazu führt, dass ein gutes Dichtungsvermögen nicht erreicht wird oder dass eine genügende Haftungsfestigkeit mit einem Haftungsabschnitt des Dichtungsmaterials nicht erreicht wird. Wenn der Flächenanteil 40% übersteigt, deutet dies darauf hin, dass übermäßig viele Isolierfüllstoffpartikel enthalten sind, wodurch ein Fließvermögen des Dichtungsmaterials beim Erweichen beeinträchtigt wird, was dazu führt, dass ein gutes Dichtungsvermögen nicht erreicht wird oder eine hinreichende Haftungsfestigkeit mit einem Dichtungsabschnitt nicht erreicht wird.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Beispielen mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigen:
1 einen vertikalen Querschnitt, der eine Ausführungsform einer Zündkerze gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine schematische Ansicht, welche die Mikrostruktur einer leitfähigen Dichtungsmaterialschicht zeigt;
3 vertikale Querschnittsansichten, welche mehrere Ausführungsformen eines Isolators darstellen;
4 eine schematische Ansicht, welche das Verhaften von isolierenden Füllstoffpartikeln mit geringer Partikelgröße, die in einem leitfähigen Dichtungsmaterial enthalten sind, bei einem Dichtungsschrit darstellt;
5 eine schematische Darstellung, in welcher die Schritte der Herstellung der in 1 dargestellten Zündkerze verdeutlich sind;
6 schematische Ansichten, welche die Schritte der Herstellung verdeutlichen, welche auf jene der in 5 dargestellten Schritte folgen;
7 schematische Ansichten, welche die Schritte der Herstellung darstellen, welche auf jene der in 6 dargestellten Schritte folgen;
8 schematische Darstellungen, welche das Verhalten einer leitfähigen Dichtungsmaterialschicht darstellen; und
9 eine Ansicht, welche einen Testaufbau darstellt, um das Dichtungsvermögen zu untersuchen.
Es werden Bezugszeichen verwendet, um einige Bauteile, die in den Zeichnungen dargestellt sind, wie folgt zu bezeichnen:

1: Metallgehäuse
2: Isolator
3: Mittelelektrode
4: Massenelektrode
13: metallisches Anschlußteil
16, 17: leitfähige Dichtungsmaterialschichten

1 zeigt eine Ausführungsform einer Zündkerze gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Zündkerze 100 weist auf: ein zylindrisches, metallisches Gehäuse 1, einen Isolator 2, der in das Metallgehäuse 1 so eingepaßt ist, dass ein Spitzenabschnitt 21 von dem Metallgehäuse 1 hervorsteht, eine Mittelelektrode 3, welche in dem Isolator 2 so angeordnet ist, dass ein Zündabschnitt 31, der an der Spitze der Zündkerze gebildet ist, vom Isolator 2 hervorsteht; und eine Masseelektrode 4, deren eines Ende mit dem Metallgehäuse 1 durch z. B. Schweißen verbunden ist und deren gegenüberliegendes Ende seitlich so gebogen ist, dass eine zugehörige Seitenfläche einen Spitzenabschnitt der Mitte lelektrode 3 zugewandt ist. Auf der Masseelektrode 4 ist ein Zündabschnitt 32 gegenüber dem Zündabschnitt 31 gebildet, und der Spalt zwischen den einander zugewandten Zündabschnitten 31 und 32 dient als ein Zündentladungsspalt g.
Das Metallgehäuse 1 ist aus einem Metall, wie z. B. einem kohlenstoffarmen Stahl, in einer zylindrischen Form gebildet, und dient als ein Gehäuse der Zündkerze 100. Auf der Außenumfangsoberfläche des Metallgehäuses 1 ist ein Außengewindeabschnitt 7 ausgebildet und so eingerichtet, dass damit die Zündkerze 100 in einen nicht dargestellten Motorblock eingeschraubt werden kann. Das Bezugszeichen 1e bezeichnet einen Werkzeugeingriffsabschnitt, um einen Eingriff mit einem Werkzeug wie z. B. einem Spannstück oder einem Schlüssel zu ermöglichen. Der Werkzeugeingriffsabschnitt 1e besitzt einen sechseckigen Querschnitt.
Der Isolator 2 besitzt ein Durchgangsloch 6, welches darin axial ausgebildet ist, um das Einsetzen der Mittelelektrode 3 in das Durchgangsloch zu ermöglichen, wobei der Isolator aus einem isolierenden Werkstoff gebildet ist. Der isolierende Werkstoff besteht vorwiegend aus Aluminiumoxid; insbesondere nimmt der isolierende Werkstoff die Form eines gesinterten Körpers aus Aluminiumoxidkeramik an, der eine Aluminiumkomponente in einer Menge von 80–98 mol% (vorzugsweise 90–98 mol%) aufweist, wenn die Keramik zu Al₂O₃ reduziert worden ist.
Das isolierende Material kann zusätzlich zu der Al-Komponente eine Komponente oder mehrere Komponenten aufweisen, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, die eine Si-Komponente, eine Ca-Komponente, eine Mg-Komponente, eine Ba-Komponente und eine B-Komponente enthält, wobei diese in den folgenden Mengen vorhanden sind:
Si-Komponente: 1,50–5,00 mol%, wenn sie zu SiO₂ reduziert worden ist;
Ca-Komponente: 1,20–4,00 mol%, wenn sie zu CaO reduziert worden ist;
Mg-Komponente: 0,05–0,17 mol%, wenn sie zu MgO reduziert worden ist;
Ba-Komponente: 0,15–0,50 mol%, wenn sie zu BaO reduziert worden ist; und
B-Komponente: 0,15–0,50 mol%, wenn sie zu B₂O₃ reduziert worden ist.
Der Isolator 2 besitzt einen Umfangsvorsprung 2e, der in einer axial mittleren Position des Isolators ausgebildet ist, wobei der Vorsprung z. B. in einer solchen Weise vorgesehen ist, dass er radial nach außen entlang dessen Umfangsrichtung vorsteht, so dass dadurch die Form eines Flansches erzielt wird. Wenn bei dem Isolator 2 der Begriff "vorne" verwendet wird, bezieht sich dies auf die Seite in Richtung zur Spitze der Mittelelektrode 3 (1), wobei bei dem Isolator 2 ein Abschnitt, der sich vom Umfangsvorsprung 2e fort erstreckt, ein Körperabschnitt 2b ist, der einen Durchmesser besitzt, der kleiner ist als jener des Umfangsvorsprunges 2e. Außerdem erstreckt sich ein erster Schaftabschnitt 2g mit einem Durchmesser, der kleiner ist als jener des Umfangvorsprunges 2e, vom Umfangvorsprung 2e nach vorne, und ein zweiter Schaftabschnitt 2i mit einem Durchmesser, der kleiner ist als jener des ersten Schaftabschnittes 2g, erstreckt sich vom ersten Schaftabschnitt 2g nach vorne. Ein hinteres Endteil des Körperabschnittes 2b ist in einem Wellenabschnitt 2c gebildet, und auf der Außenumfangsoberfläche des Wellenabschnittes 2c ist eine Glasurschicht 2d ausgebildet. Die Außenumfangsoberfläche des ersten Schaftabschnittes 2g ist in einer im wesentlichen zylindrischen Form ausgebildet. Die Außenumfangsoberfläche des zweiten Schaftabschnittes 2i ist in einer im wesentlichen konischen Form so ausgebildet, dass sich der Durchmesser in Richtung zur Spitze des Schaftabschnittes 2i verringert.
Das Durchgangsloch 6, das in dem Isolator 2 ausgebildet ist, weist einen im wesentlichen zylindrischen ersten Abschnitt 6a auf, der das Einsetzen der Mittelelektrode 3 in das Durchgangsloch 6 ermöglicht, und das Durchgangsloch weist einen im wesentlichen zylindrischen zweiten Abschnitt 6b auf, der sich zum hinteren Ende (in 1 nach oben) vom ersten Abschnitt 6a aus erstreckt und einen Durchmesser besitzt, der größer ist, als der Durchmesser des ersten Abschnittes 6a. Der zweite Abschnitt 6b enthält das metallische Anschlußteil 13 und einen Widerstand 15, und die Mittelelektrode 3 ist in dem ersten Abschnitt 6a eingesetzt. Ein Elektrodenbefestigungsüberstand 3c steht radial nach außen von der Außenumfangsoberfläche eines hinteren Endabschnittes der Mittelelektrode 3 hervor, und er ist so ausgebildet, dass er die Mittelelektrode 3 in ihrer Lage hält. Der erste Abschnitt 6a des Durchgangsloches 6 und der zweite Abschnitt 6b des Durchgangsloches 6 sind innerhalb des ersten Schaftabschnittes 2g miteinander verbunden, siehe 3(a). An der Verbindungsposition ist ein Vorsprungsaufnahmesitz 6c in der Form einer kegelförmigen Oberfläche oder einer abgerundeten Oberfläche ausgebildet, um den Elektrodenbefestigungsvorsprung 3c der Mittelelektrode 3 aufzunehmen.
Die Außenumfangsoberfläche eines Übergangsabschnittes 2h für den Übergang zwischen dem ersten Schaftabschnitt 2g und dem zweiten Schaftabschnitt 2i ist in einer gestuften Oberfläche ausgebildet. Die gestufte Oberfläche des Übergangsabschnittes 2h ist mittels einer ringförmigen Blattdichtung 63 mit einem umfänglichen, nach innen gerichteten Vorsprung 1c in Eingriff, welcher auf der Innenoberfläche des Metallgehäuses 1 ausgebildet ist und als ein Eingriffsabschnitt auf der Metallgehäuseseite dient, wodurch ein axiales Herausgleiten des Isolators 2 verhindert wird. Ringförmige Gewindedichtungen 60 und 62 sind zwischen der Innenoberfläche eines hinteren Öffnungsabschnittes des Metallgehäuses 1 und der Außenoberfläche des Isolators 2 so angeordnet, dass die Dichtung 62 auf dem Isolator 2 entlang der hinteren Umfangskante des flanschartigen Umfangsvorsprunges 2e eingepaßt ist, und die Dichtung 60 ist auf dem Isolator 2 von der Dichtung 62 in einem Abstand nach hinten hin angeordnet, wobei zwischen den Dichtungen 60 und 62 eine Füllstoffschicht 61, z. B. Talkum, eingesetzt ist. Während der Isolator 2 in das Metallgehäuse 1 gedrückt wird, wird die Öffnungskante des Metallgehäuses in Richtung zur Dichtung 60 nach innen umgeformt, so dass dadurch ein umgeformter Abschnitt 1d gebildet ist, wodurch das Metallgehäuse 1 mit dem Isolator 2 fest verbunden ist.
Die 3(a) und 3(b) zeigen Beispiele des Isolators 2. Abmessungen der Abschnitte des Isolators 2 sind nachfolgend als Beispiel angegeben.

– Gesamtlänge L1: 30–75 mm
– Länge L2 des ersten Schaftabschnittes 2g: 0–30 mm (wobei ein Übergangsabschnitt 2f für den Übergang vom Umfangsvorsprung 2e nicht mit berücksichtigt ist und der Übergangsabschnitt 2h für den Übergang zum zweiten Schaftabschnitt 2i berücksichtigt ist)
– Länge L3 des zweiten Schaftabschnittes 2i: 2–27 mm
– Außendurchmesser D1 des Körperabschnittes 2b: 9–13 mm
– Außendurchmesser D2 des Umfangsvorsprunges 2e: 11–16 mm
– Außendurchmesser D3 des ersten Schaftabschnittes 2g: 5–11 mm
– Außendurchmesser D4 des Stammteiles des zweiten Schaftabschnittes 2i: 3–8 mm
– Außendurchmesser D5 des Spitzenteiles des zweiten Schaftabschnittes 2i (wenn die Außenumfangskante der Spitzenfläche abgerundet oder mit einer Fase versehen ist, wird der Außendurchmesser D5 in einem Querschnitt einschließlich der Mittelachse O an der Position des Stammes des abgerundeten oder mit einer Fase versehenen Abschnittes gemessen): 2,5–7 mm
– Durchmesser D6 des zweiten Abschnittes 6a des Durchgangsloches 6: 2–4 mm (die leitfähigen Dichtungsmaterialschichten 16 und 17 werden ausgebildet)
– Durchmesser D7 des ersten Abschnittes 6a des Durchgangsloches 6: 1–3,5 mm
– Wanddicke t1 des ersten Schaftabschnittes 2g: 0,5–4,5 mm
– Wanddicke t2 des Stammteiles des zweiten Schaftabschnittes 2i (gemessen entlang der Richtung senkrecht zur Mittelachse O): 0,3–3,5 mm
– Wanddicke t3 des Spitzenteils des zweiten Schaftabschnittes 2i (gemessen entlang der Richtung senkrecht zur Mittelachse O; wenn jedoch die Außenumfangskante der Spitzenfläche abgerundet oder mit einer Fase versehen ist, wird die Wanddicke t3 in einem Querschnitt einschließlich der Mittelachse O an der Position des Stammes des abgerundeten oder mit einer Fase versehenen Abschnittes gemessen): 0,2–3 mm
– Durchschnittswanddicke tA des zweiten Schaftabschnittes 2i ((t2 + t3)/2): 0,25–3,25 mm

Die oben angeführten Abmessungen des Isolators 2, wie er in 3(a) dargestellt ist, sind z. B. wie folgt: L1 = etwa 60 mm; L2 = etwa 10 mm; L3 = etwa 14 mm; D1 = etwa 11 mm; D2 = etwa 13 mm; D3 = etwa 7,3 mm; D4 = etwa 5,3 mm; D5 = 4,3 mm; D6 = 3,9 mm; D7 = 2,6 mm; t1 = 3,3 mm; t2 = 1,4 mm; t3 = 0,9 mm; und tA = 1,15 mm.
Der Isolator 2, wie er in 3(b) dargestellt ist, besitzt den ersten Schaftabschnitt 2g und den zweiten Schaftabschnitt 2i, welche im Außendurchmesser geringfügig größer sind als jene des Isolators 2, der in 3(a) dargestellt ist.
Die Abmessungen des Isolators 2, der in 3(b) dargestellt ist, sind z. B. wie folgt: L1 = etwa 60 mm; L2 = etwa 10 mm; L3 = etwa 14 mm; D1 = etwa 11 mm; D2 = etwa 13 mm; D3 = etwa 9,2 mm; D4 = etwa 6,9 mm; D5 = 5,1 mm; D6 = 3,9 mm; D7 = 2,7 mm; t1 = 3,3 mm; t2 = 2,1 mm; t3 = 1,2 mm; und tA = 1,65 mm.
Das metallische Anschlußteil 13 wird in einen hinteren Endabschnitt des Durchgangsloches 6, der in dem Isolator 2 ausgebildet ist, eingesetzt und darin fixiert; und die Mittelelektrode 3 wird in einem vorderen Endabschnitt des Durchgangsloches 2 eingesetzt und darin fixiert. Der Widerstand 15 ist innerhalb des Durchgangsloches 6 zwischen dem metallischen Anschlußteil 13 und der Mittelelektrode 3 angeordnet. Gegenüberliegende Endabschnitte des Wi derstandes 15 sind jeweils mit der Mittelelektrode 3 und dem metallischen Anschlußteil 13 mittels der leitfähigen Dichtungsteilschichten 16 und 17 verbunden. Der Widerstand 15 ist aus einer Widerstandszusammensetzung gebildet, welche durch Erwärmung und Pressen eines Gemisches aus einem Glaspulver (statt dessen kann ein Keramikpulver verwendet werden, falls dies erforderlich ist) und einem leitfähigen Materialpulver während eines Glasdichtungsschrittes erzielt worden ist, welcher später beschrieben wird. Ohne den Widerstand 15 kann das metallische Anschlußteil 13 und die Mittelelektrode 3 mittels einer einzelnen leitfähigen Dichtungsmaterialschicht verbunden werden.
Das metallische Anschlußteil 13 ist aus einem kohlenstoffarmen Stahl oder einem ähnlichen Metall gebildet, und auf dessen Oberfläche ist eine mit Ni überzogene Schicht (z. B. 5 μm dick) gebildet, um eine Korrosion zu vermeiden. Das metallische Anschlußteil 13 weist auf: einen Dichtungsabschnitt 13c (Spitzenabschnitt), einen Anschlußabschnitt 13a, der vom hinteren Ende des Isolators 2 hervorsteht, und einen stabähnlichen Abschnitt 13b zum Verbinden des Anschlußabschnittes 13a mit dem Dichtungsabschnitt 13c. Der Dichtungsabschnitt 13c besitzt eine axial langgestreckte zylindrische Form, besitzt Vorsprünge wie z. B. bei einer Schraube oder Rippen, die auf der Außenumfangsoberfläche ausgebildet sind, und ist in einer solchen Weise angeordnet, dass er in der leitfähigen Dichtungsmaterialschicht eingetaucht ist, wodurch die leitfähige Dichtungsmaterialschicht 17 gegen den Dichtungsabschnitt 13c und gegen die Innenoberfläche des Durchgangsloches 6 abdichtet. Ein Zwischenraum von etwa 0,1–0,5 mm ist zwischen der Außenumfangsoberfläche des Dichtungsabschnittes 13c und der Innenoberfläche des Durchgangsloches 6 ausgebildet.
Die leitfähigen Dichtungsmaterialschichten 16 und 17 sind wesentliche Abschnitte der Zündkerze der vorliegenden Erfindung und weisen Basisglas, einen leitfähigen Füllstoff und einen isolierenden Füllstoff auf. Wie bei einem konventionellen leitfähigen Dichtungsmaterial ist das Basisglas ein Glas, welches eine vorherrschende Menge von Oxid, wie z. B. Borsilikatglas, aufweist. Der leitfähige Füllstoff ist z. B. ein Metallpulver, welches eine vorherrschende Menge aus einer Metallkomponente oder mehreren Metallkomponenten wie z. B. Co und Fe aufweist. Der isolierende Füllstoff ist ein als Oxid vorliegendes anorgani sches Material, welches durch die Verwendung einer Substanz oder mehrerer Substanzen gebildet wird, die aus der Gruppe ausgewählt sind, welche β-Eukryptit, β-Spodumen, Keatit, Siliziumdioxid, Mullit, Cordierit, Zirkon und Aluminiumtitanat etc. aufweist.
Wie zuvor beschrieben worden ist, wird in der Zündkerze 100 der Durchmesser des Durchgangsloches 6 an der Position der leitfähigen Dichtungsmaterialschicht 16 oder 17 gemessen, d. h., der Durchmesser D6 des zweiten Abschnittes 6b ist nicht größer als 4 mm; und die Komponenten und die Mikrostruktur der leitfähigen Dichtungsmaterialschichten 16 und 17 werden so eingestellt, dass ihr Längenausdehnungskoeffizient kleiner ist als jener von Aluminiumoxid, insbesondere kleiner als 6,8 × 10^–6/°C. 2 zeigt schematisch eine bevorzugte Mikrostrukturform der leitfähigen Dichtungsmaterialschichten 16 und 17. Wie aus 2 ersichtlich ist, sind die leitfähigen Füllstoffpartikel im Basisglas verteilt, welches als eine Glasmatrix dient, um dadurch netzwerkartige leitfähige Pfade zu bilden, wobei ein großer Anteil (z. B. nicht weniger als 60 Volumenprozent) der isolierenden Füllstoffpartikel, wenn diese im Mischungszustand betrachtet werden, so vorhanden sind und in der Form von kristallinen Partikeln verteilt sind, ohne in dem Basisglas geschmolzen zu sein. Weil isolierende Füllstoffpartikel aus dem oben erwähnten Material einen hohen Erweichungspunkt besitzen, verursacht ein übermäßiges Schmelzen der isolierenden Füllstoffpartikel in dem Basisglas eine Erhöhung des Erweichungspunktes des Glases, was zu einem Abfall in der Fluidität führt und somit ein relevantes Problem hervorruft, indem z. B. ein hinreichendes Dichtungsvermögen nicht erreicht wird.
Isolierende Füllstoffpartikel mit einer Partikelgröße, die kleiner als 50 μm ist, wenn diese im Mischungszustand für die Vorbereitung eines Dichtungsmaterials gemessen werden (d. h., wenn sie gemessen werden bevor der Dichtungsschritt durchgeführt worden ist), neigen dazu, in das Basisglas eingeschmolzen zu werden, welches als eine Glasmatrix dient, wie dies in 4 dargestellt ist; wenn daher derartige isolierende Füllstoffpartikel in einer übermässigen Menge enthalten sind, führt dies dazu, dass der Erweichungspunkt des Glases übermäßig ansteigt. Die Glasmatrix füllt die Dichtungsfunktion der leitfähigen Dich tungsmaterialschichten 16 und 17 auf einer Dichtungsoberfläche zwischen dem Isolator 2 und des metallischen Anschlußteiles 13 und der Dichtungsoberfläche zwischen dem Isolator 2 und der Mittelelektrode 3. Isolierende Füllstoffpartikel, die auf den Dichtungsoberflächen vorkommen, bilden Nicht-Dichtungsregionen, welche nicht dazu beitragen, die Dichtungsfunktion zu erfüllen. Wenn isolierende Füllstoffpartikel mit einer Partikelgröße größer als 350 μm auf den Dichtungsoberflächen vorliegen, bilden die Partikel lokal große Nicht-Dichtungsregionen. Wenn Nicht-Dichtungsregionen in einer großen Zahl ausgebildet werden, wird das Dichtungsvermögen beeinträchtigt. Daher sind vorzugsweise in dem Mischungsstadium zur Vorbereitung eines Dichtungsmaterials isolierende Füllstoffpartikel mit einer Partikelgröße von kleiner 50 μm in einer Menge enthalten, die nicht größer als 10 Massenprozent ist, und isolierende Füllstoffpartikel mit einer Partikelgröße größer als 350 μm sind in einer Menge enthalten, die nicht größer als 5 Massenprozent ist. Die Partikelgröße der isolierenden Füllstoffpartikel im Mischungsstadium wird mit Standardsieben gemessen; insbesondere Partikel, die durch ein Sieb mit Öffnungen (repräsentiert durch eine Innenmessung zwischen einander benachbarten Drähten) der Größe von 50 μm passieren, besitzen eine Partikelgröße kleiner als 50 μm, und Partikel, die nicht durch ein Sieb mit Öffnungen von 350 μm passieren, besitzen eine Partikelgröße größer als 350 μm.
Vorzugsweise enthalten die leitfähigen Dichtungsmaterialien 16 und 17 den isolierenden Füllstoff in einer Menge von 2–40 Massenprozent. Wenn der Gehalt an isolierendem Füllstoff kleiner als 2 Massenprozent ist, ist es mit dem hinzugefügten isolierendem Füllstoff nicht möglich, die Wirkung einer Einstellung des Längenausdehnungskoeffizienten des Dichtungsmaterials zu erzielen. Wenn der Gehalt an isolierendem Füllstoff 40 Massenprozent übersteigt, wird eine Fluidität des Dichtungsmaterials beeinträchtigt, was dazu führt, dass ein gutes Dichtungsvermögen nicht mehr erreicht wird, oder dass eine hinreichende Haftungsfestigkeit mit einem Dichtungsabschnitt erreicht wird.
Durch den Einsatz des oben beschriebenen isolierenden Füllstoffes können die leitfähigen Dichtungsmaterialschichten 16 und 17 derart ausgebildet werden, dass in einer Mikrostruktur des Dichtungsmaterials, wenn dies in einem Quer schnitt betrachtet wird, isolierende Füllstoffpartikel mit einer Partikelgröße von 100–350 μm einen Flächenanteil von 2–40% in der Mikrostruktur decken. Die Bildung einer solchen Mikrostruktur verbessert beträchtlich das Dichtungsvermögen und die Haltbarkeit der leitfähigen Dichtungsmaterialschichten 16 und 17, und somit kann eine gute Gasdichtheit über einen langen Zeitraum beibehalten werden.
Metallpulverpartikel, die als der leitfähige Füllstoff dienen, besitzen eine durchschnittliche Partikelgröße von 20–40 μm, und sind in dem Dichtungsmaterial in einer Menge von z. B. 35–70 Massenprozent enthalten. Wenn die durchschnittliche Partikelgröße kleiner als 20 μm ist, wird eine chemische Stabilität beeinträchtigt, und eine Oxidationsverschlechterung oder ein ähnliches Problem tritt auf, was dazu führt, dass es schwierig wird, eine geforderte elektrische Leitfähigkeit zu erreichen. Wenn die durchschnittliche Partikelgröße 40 μm überschreitet, wird die Widerstandsverteilung ungleichmäßig und die Fluidität neigt dazu, im Dichtungsschritt beeinträchtigt zu werden. Wenn der Gehalt des Metallpulvers kleiner als 35 Massenprozent ist, entsteht die Schwierigkeit, eine geforderte elektrische Leitfähigkeit zu erreichen. Wenn der Gehalt des Metallpulvers 70 Massenprozent übersteigt, wird nicht nur der Basisglasgehalt unzureichend, um ein Dichtungsvermögen zu erzielen, sondern auch der Längenausdehnungskoeffizient der leitfähigen Dichtungsmaterialschichten 16 und 17 steigt übermäßig an, was dazu führt, dass die oben erwähnte Wirkung der vorliegenden Erfindung nicht mehr genügend erreicht wird.
Ein Körperabschnitt 4a der Massenelektrode 4 und ein Körperabschnitt 3a der Mittelelektrode 3 sind aus z. B. einer Ni-Legierung oder einer Fe-Legierung gebildet, siehe 1. Um die Wärmeleitung zu beschleunigen, ist in dem Körperabschnitt 3a der Mittelelektrode 3 ein Kern 3b aus Cu, einer Cu-Legierung oder einem ähnlichen Metall eingebettet. Die einander zugewandten Zündabschnitte 31 und 32 sind primär aus einer Edelmetall-Legierung gebildet, welcher eine vorherrschende Menge aus einem Edelmetall oder mehreren Edelmetallen aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt sind, welche Ir, Pt und Rh aufweist. Es wird darauf hingewiesen, dass entweder auf einen oder auf beide Zündabschnitte 31 und 32 verzichtet werden kann.
Die oben beschriebene Zündkerze 100 kann z. B. durch ein Verfahren hergestellt werden, welches nachfolgend beschrieben ist. Zunächst wird ein Verfahren zur Herstellung des Isolators 2 beschrieben. Ein Materialpulver ist ein Gemisch aus einem Aluminiumoxidpulver, einem Si-Komponenten-Materialpulver, einem Ca-Komponenten-Materialpulver, einem Mg-Komponenten-Materialpulver, einem Ba-Komponenten-Materialpulver und einem B-Komponenten-Materialpulver. Die Anteile dieser Komponenten-Materialpulver sind so bestimmt, um nach dem Brennen die oben erwähnte Zusammensetzung zu erzielen, wenn sie zu den jeweiligen Oxiden reduziert worden sind. Zu dem Gemisch werden ein Binder (z. B. PVA) und Wasser in einer jeweils vorbestimmten Menge hinzugefügt, wobei anschließend ein Mischen durchgeführt wird, um einen Formmaterialdickschlamm zu erzielen. Die Komponenten-Materialpulver können z. B. sein: SiO₂-Pulver für die Si-Komponente, CaCO₃-Pulver für die Ca-Komponente, MgO-Pulver für die Mg-Komponente, BaCO₃-Pulver für die Ba-Komponente und H₃BO₃-Pulver für die B-Komponente. Es wird darauf hingewiesen, dass H₃BO₃ in der Form einer Lösung vorliegen kann.
Der Formmaterialschlamm wird in einem Sprühtrocknungsprozeß oder einem ähnlichen Prozeß sprühgetrocknet, wodurch Formmaterialkörnchen erzielt werden. Die Formmaterialkörnchen werden in einen Grünkörper für den Isolator mit einem Gummi gepreßt. Das Gummipreßverfahren nutzt eine Gummiform mit einer Gravität, welche sich axial dorthin durch erstreckt. Ein unterer Stempel wird in einen unteren Öffnungsabschnitt der Kavität eingesetzt. Ein Druckstift steht einheitlich von der Stempelfläche des unteren Stempels in einer solchen Weise hervor, dass er sich axial innerhalb der Kavität erstreckt und die Form des Durchgangsloches 6 des Isolators 2 spezifiziert.
Bei dem oben beschriebenen Zustand werden Formmaterialkörnchen in einer vorbestimmten Menge in die Kavität eingefüllt, und dann wird ein oberer Öffnungsabschnitt der Kavität mit einem oberen Stempel geschlossen, wodurch eine Abdichtung erzielt wird. In diesem Zustand wird ein Flüssigkeitsdruck auf die Außenumfangsoberfläche der Gummiform aufgebracht, wodurch die in der Kavität enthaltenen Körnchen mittels der Gummiform verdichtet werden und somit ein Grünkörper erzielt wird. Um die Pulverisierung der Körnchen in Pulverpartikel während des Pressens zu beschleunigen, wird vor dem Pressen Wasser zu den Formmaterialkörnchen in einer Menge von 0,7–1,3 Masseteile pro 100 Masseteile der Formmaterialkörnchen hinzugefügt. Die Außenoberfläche des erzielten Grünkörpers wird z. B. einem Schleifen ausgesetzt, um dadurch zu einem Profil (siehe 3) fertig bearbeitet zu werden, welches dem Isolator 2 entspricht. Als nächstes wird der Grünkörper bei einer Temperatur von 1400–1600°C während 1–8 Stunden in Luftumgebung gebrannt, wodurch der Isolator 2 erzielt wird.
Als nächstes wird ein leitfähiges Dichtungsmaterialpulver in der folgenden Weise vorbereitet. Wie aus 5(a) ersichtlich ist, werden ein Basisglaspulver, ein Metallpulver, welches als ein leitfähiges Füllstoffpulver dient, und ein isolierendes Füllstoffpulver für die jeweils vorbestimmten Mengen gemischt, wodurch ein vermischtes Material erzielt wird. Das vermischte Material wird zusammen mit einem wässerigen Lösungsmittel und Mischmedien (z. B. Medien aus Keramik wie z. B. Aluminiumoxid) in einen Mischbehälter plaziert. Dann wird der Behälter rotiert, siehe 5(b), wodurch sich das Material gleichmässig mischt und verteilt. Durch Einsatz eines wässrigen Lösungsmittels wird bei Verwendung des oben erwähnten als Oxid vorliegenden isolierenden Füllstoffpulvers die Feinverteilung während des Mischens verbessert, und somit wird eine bessere Fluidität während des Erweichens erzielt. Somit können homogene leitfähige Dichtungsmaterialschichten 16 und 17 erreicht werden, die mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit eine ungleichmäßige Verteilung von Partikeln oder einen ähnlichen Defekt aufweisen.
Bei dem unten beschriebenen Glasdichtungsschritt werden die Mittelelektrode 3 und das metallische Anschlußteil 13 mit dem Isolator 2 verbunden, und der Widerstand 15 und die leitfähigen Dichtungsmaterialschichten 16 und 17 werden ausgebildet. Zuerst wird auf den Isolator 2 über eine vorgesehene Oberfläche aus einer Sprühdüse ein Glasdickschlamm gesprüht, um dadurch eine Glasdickschlammschicht 2d' zu bilden, welche die Glasdickschicht 2d in 1 wird, wobei sich ein Trocknungsvorgang anschließt. Als nächstes, wie aus 6(a) ersichtlich ist, wird die Mittelelektrode 3 in den ersten Abschnitt 6a des Durchgangsloches 6 eingesetzt, welches in dem Isolator 2 ausgebildet ist, und dann, wie aus 6(b) ersichtlich ist, wird ein leitfähiges Dichtungsmaterialpulver H in das Durchgangsloch 6 plaziert. Wie aus 6(c) ersichtlich ist, wird in das Durchgangsloch 6 ein Druckstempel 28 eingesetzt, um das Pulver H vorläufig zu komprimieren, wodurch eine erste leitfähige Dichtungsmaterialpulverschicht 26 gebildet wird. Als nächstes wird ein Materialpulver aus einer Widerstandszusammensetzung von dem hinteren Ende des Isolators 2 in das Durchgangsloch 6 plaziert, wobei dies anschließend in ähnlicher Weise einer vorläufigen Kompression unterzogen wird. Anschließend wird ein leitfähiges Dichtungsmaterialpulver in das Durchgangsloch 6 plaziert, woraufhin eine ähnliche vorläufige Kompression mittels des Druckstempels 28 erfolgt. Als Folge davon sind, wie aus 6(d) ersichtlich ist, in aufsteigender Reihenfolge von unten aus betrachtet die Mittelelektrode 3, die erste leitfähige Dichtungsmaterialpulverschicht 26, eine Widerstandszusammensetzungs-Pulverschicht 25 und eine zweite leitfähige Dichtungsmaterialpulverschicht 27 in Schichten innerhalb des Durchgangsloches 6 angeordnet.
Wie aus 7(a) ersichtlich ist, wird dann das metallische Anschlußteil 13 in das Durchgangsloch 6 vom hinteren Ende des Isolators 2 eingesetzt, wodurch eine Anordnung PA erzielt wird. Die Anordnung PA wird in einen Wärmeofen plaziert und auf eine vorbestimmte Temperatur im Bereich von 700–950°C erhitzt. Anschließend wird das metallische Anschlußteil 13, welches in dem Durchgangsloch 6 eingepaßt ist, axial in Richtung zur Mittelelektrode 3 gepreßt, wodurch die Schichten 25–27 axial gepreßt werden. Als Folge davon, wie aus 7(b) ersichtlich ist, werden die Schichten komprimiert und gesintert, so dass aus diesen Schichten die leitfähige Dichtungsmaterialschicht 16, der Widerstand 15 und die leitfähige Dichtungsmaterialschicht 17 werden (Dichtungsschritt). Wenn dieser Dichtungsschritt durchgeführt wird, werden vorzugsweise das Basisglaspulver, das Metallpulver und das isolierende Füllstoffpulver bezüglich der Mischungsverhältnisse und der Partikelgröße so eingestellt, dass das leitfähige Dichtungsmaterialpulver einen offensichtlichen Erweichungspunkt im Bereich von 500°C–1000°C besitzt. Wenn der Erweichungspunkt niedriger als 500°C ist, kann der Wärmewiderstand der leitfähigen Dichtungs materialschichten 16 und 17 unzureichend werden. Wenn der Erweichungspunkt höher als 1000°C ist, kann das Dichtungsvermögen unzureichend werden. Der Erweichungspunkt wird auf folgende Weise erzielt. Es werden 50 mg einer Pulverprobe einer unterscheidenden Thermoanalyse durch Wärmeanwendung unterzogen, wobei der Erweichungspunkt der Probe eine Temperatur ist, welche der zweiten endothermen Spitze entspricht, die nach dem Meßbeginn bei Raumtemperatur auftritt. Bei diesem Zeitpunkt wird die Glasdickschlammschicht 2d', welche bei dem Glasdichtungsschritt aufgebracht worden ist, gleichzeitig gebrannt, so dass daraus die Glasschicht 2d wird.
An die Anordnung PA, welche sich dem Glasdichtungsschritt unterzogen hat, werden das Metallgehäuse 1, die Masseelektrode 4 und andere Komponenten angebracht, wodurch die Zündkerze 100 vervollständigt ist, siehe 1. Die Zündkerze 100 wird an den Motorblock angebracht, indem der Außengewindeabschnitt 7 mit dem Motorblock in Eingriff gebracht wird, und die Zündkerze 100 wird als eine Zündquelle zum Zünden eines Luftkraftstoffgemisches verwendet, welches einer Verbrennungskammer zugeführt wird.
Um die Wirkung gemäß der vorliegenden Erfindung zu bestätigen, wurden die folgenden Experimente durchgeführt.
Der Isolator 2 wurde auf folgende Weise hergestellt. Aluminiumoxidpulver (Aluminiumoxid 95 mol%; Na-Gehalt (wenn zu Na₂O reduziert) 0,1 mol%; Durchschnittspartikelgröße 3,0 μm) wurde in vorbestimmten Mischungsverhältnissen SiO₂ (Reinheit 99,5%; Durchschnittspartikelgröße 1,5 μm), CaCO₃ (Reinheit 99,9%, Durchschnittspartikelgröße 2,0 μm), MgO (Reinheit 99,5%; Durchschnittspartikelgröße 2 μm), BaCO₃ (Reinheit 99,5%, Durchschnittspartikelgröße 1,5 μm) und H₃BO₃ (Reinheit 99,0%; Durchschnittspartikelgröße 1,5 μm) hinzugefügt, wodurch ein Materialpulver erzielt wurde. Auf 100 Massenteile Materialpulver wurden 3 Massenteile PVA, das als ein hydrophiler Binder dient, und 103 Massenteile Wasser vermischt hinzugefügt, wodurch ein Formmaterialdickschlamm erzielt wurde.
Als nächstes wurde der Formmaterialdickschlamm sprühgetrocknet, wodurch kugelförmige Formmaterialkörnchen erzielt wurden. Die Formmaterialkörnchen wurden gesiebt, so dass die Körnchen mit einer Partikelgröße von 50–100 μm gesammelt wurden. Die Körnchen wurden dem zuvor beschriebenen Gummidruckverfahren bei 50 MPa unterzogen, wodurch Grünkörper für Isolatoren erzielt wurden. Die Außenoberfläche jedes Grünkörpers wurde einem Schleifen unterzogen, so dass jeder Grünkörper dadurch ein vorbestimmtes Isolatorprofil erhielt. Dann wurden die Grünkörper zwei Stunden lang bei 1550°C gebrannt, wodurch die Isolatoren 2 (D6 = 3,9 mm) erzielt wurden, siehe 3(a). Eine spektrometrische Röntgenanalyse ergab, dass die Isolatoren 2 folgende Zusammensetzung besaßen:
Al-Komponente: 94,9 mol%, reduziert zu Al₂O₃;
Si-Komponente: 2,4 mol%, reduziert zu SiO₂;
Ca-Komponente: 1,9 mol%, reduziert zu CaO;
Mg-Komponente: 0,1 mol%, reduziert zu MgO;
Ba-Komponente: 0,4 mol%, reduziert zu BaO; und
B-Komponente: 0,3 mol%, reduziert zu B₂O₃.
Als nächstes wurde eine Mischung aus einem Cu-Pulver (durchschnittlicher Partikeldurchmesser 30 μm) und einen Fe-Pulver (durchschnittlicher Partikeldurchmesser 30 μm), welche im Massenverhältnis von 1:1 gemischt wurden, und ein Basisglaspulver (durchschnittlicher Partikeldurchmesser 150 μm) so vermischt, dass der Metallpulvergehalt über 50 Massenprozent betrug, wodurch ein leitfähiges Glasgemisch erzielt wurde. Das Basisglaspulver war Borsilicatsodaglas, welches erzielt wurde, indem 60 Massenprozent SiO₂, 30% Massenprozent B₂O₅, 5 Massenprozent Na₂O und 5 Massenprozent BaO vermischt und geschmolzen wurden. Die Erweichungstemperatur des Glases betrug 750°C. Zu dem leitfähigen Glasgemisch wurde der isolierende Füllstoff – welcher aus einem als Oxid vorliegendes anorganisches Material gebildet wurde, das aus der Gruppe ausgewählt wurde, welche β-Eukryptit, β-Spodumen, Keatit, Siliziumdioxid, Mullit, Cordierit, Zirkon und Aluminiumtitanat etc. aufweist – in unterschiedlichen Anteilen hinzugefügt. Durch Verwendung der unterschiedlichen Mischungen wurden unterschiedliche Arten leitfähiger Dich tungsmaterialien durch Mischen und Trocknen gebildet, wie dies in 5 dargestellt ist. Die Partikelgrößenverteilung jedes isolierenden Füllstoffes wurde durch Sieben und anschließendes Wiederausgleichen der Pulverkorngröße wie folgt eingestellt: Partikel mit einer Partikelgröße, die nicht kleiner als 150 μm und kleiner als 250 μm ist, zu 40% Massenprozent; Partikel mit einer Partikelgröße, die nicht kleiner als 106 μm und kleiner als 150 μm ist, zu 40 Massenprozent; Partikel mit einer Partikelgröße, die nicht kleiner als 50 μm und kleiner als 106 μm ist, zu 15 Massenprozent; und Partikel mit einer Partikelgröße, die kleiner als 50 μm ist, zu 5 Massenprozent.
Das Widerstandsmaterialpulver wurde auf folgende Weise vorbereitet. Es wurden 30 Massenprozent Feinglaspulver (durchschnittliche Partikelgröße 80 μm), 66 Massenprozent ZrO₂ (durchschnittliche Partikelgröße 3 μm) als Keramikpulver, 1 Massenprozent schwarzer Kohlenstoff, und 3 Massenprozent Dextrin als organischer Binder vermischt. Das resultierende Gemisch und Wasser als Lösemittel wurde naß vermischt, indem eine Kugelmühle verwendet wurde, woran sich ein Trocknen anschloß, um dadurch ein vorläufiges Material zu erzielen. 20 Massenteile vorläufiges Material und 80 Massenteile grobes Glaspulver (durchschnittliche Partikelgröße 250 μm) wurden vermischt, wodurch ein Widerstandsmaterialpulver erzielt wurde. Das Glaspulver war aus Borsilicatlithiumglas, welches durch Mischen und Schmelzen von 50 Massenprozent SiO₂, 29 Massenprozent B₂O₅, 4 Massenprozent Li₂O und 17 Massenprozent BaO erzielt wurde. Die Erweichungstemperatur des Glases betrug 585°C.
Als nächstes wurden durch Verwendung der so vorbereiteten leitfähigen Dichtungsmateriaipulver und des Widerstandszusammensetzungspulvers unterschiedliche Proben von Zündkerzen 100 mit integriertem Widerstand hergestellt, wie sie in 1 dargestellt ist. Das leitfähige Dichtungsmaterialpulver wurde in einer Menge von 0,15 g verwendet, um die leitfähige Dichtungsmaterialpulverschicht 25 zu bilden. Das Widerstandsmaterialpulver wurde in einer Menge von 0,40 g verwendet; und das leitfähige Dichtungsmaterialpulver wurde in einer Menge von 0,15 g verwendet, um die leitfähige Dichtungsmaterialpulverschicht 27 zu bilden. Bei dem Heißpreßverfahren betrug die Heiztemperatur 900°C, und es wurde ein Druck von 100 kg/cm² aufgebracht.
Der Längenausdehnungskoeffizient wurde für ein einzelnes leitfähiges Dichtungsmaterialpulver auf folgende Weise gemessen. Von den zugehörigen Isolatoren 2 wurden leitfähige Dichtungsmaterialschichten entfernt, indem die umgebenden Isolatoren 2 entlang der Umfangsrichtung durch Schleifen entfernt wurden. Von den so erzielten leitfähigen Dichtungsmaterialschichten wurden Proben ausgeschnitten, welche jeweils einen Durchmesser von 3–4 mm und eine Höhe von 2–4 mm besaß. Durch Verwendung dieser Proben und eines bekannten Differenzialdilatometers wurde der Längenausdehnungskoeffizient als der Durchschnitt aus den Werten von Längenausdehnungskoeffizienten in einem Temperaturbereich von 20°C bis 350°C erzielt. Von den Isolatoren 2 wurden auch Proben der gleichen Größe ausgeschnitten, und der Längenausdehnungskoeffizient wurde auf ähnliche Weise bestimmt. Er betrug 7,3 × 10^–6/°C.
Wie aus 9 ersichtlich ist, wurde jede der so hergestellten Probenzündkerzen (100 Stück für jede Konstruktion) auf dem Druckversuchstisch montiert, indem der Außengewindeabschnitt 7 der Zündkerze mit einem Innengewindeabschnitt einer Druckkavität in Eingriff kam, welche in dem Druckversuchstisch ausgebildet war. Auf folgende Weise wurde ein Dichtungsvermögen überprüft: in die Druckkavität wurde bei zwei Druckpegeln, 1,5 MPa (Standardversuch) und 2,5 MPa (beschleunigter Versuch), komprimierte Luft zugeführt; es wurde eine Luftleckage von der Seite in Richtung zum metallischen Anschlußteil 13 gemessen; und es wurde eine Probenzündkerze mit einer Leckage von 0,5 ml/min oder mehr als die Leckageprobe evaluiert. In Tabelle 1 sind die Versuchsergebnisse (dargestellt ist die Zahl der Leckageproben von 100 Proben) für den Fall aufgeführt, bei dem der isolierende Füllstoff Cordierit war, und der Cordieritgehalt des Dichtungsmaterials wurde variiert. Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, kann für die leitfähigen Glasdichtungsmaterialien ein Cordieritgehalt von nicht weniger als 5 Massenprozent einen Längenausdehnungskoeffizienten von weniger als 6,8 × 10^–6/°C bedeuten. Ein solcher Längenausdehnungskoeffizient verbessert auch die Dichtungseigenschafft, wie dies in dem beschleunigten Versuch beobachtet wurde; insbesondere führt der Län genausdehnungskoeffizient von nicht größer als 5,1 × 10^–6/°C zu noch besseren Versuchsergebnissen.
Als nächstes sind in Tabelle 2 die Ergebnisse des Versuches aufgeführt, der auf ähnliche Weise wie der Versuch durchgeführt wurde, auf den sich Tabelle 1 bezieht, wobei ein Unterschied darin besteht, dass unterschiedliche isolierende Füllstoffe, die nicht Cordierit waren, in den jeweiligen Dichtungsmaterialien in einer Menge von 15 Massenprozent enthalten waren. Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, wird ein Längenausdehnungskoeffizient von weniger als 6,8 × 10^–6/°C bei sämtlichen untersuchten isolierenden Füllstoffen erzielt, was darauf hindeutet, dass ein gutes Dichtungsvermögen geschaffen wird. Es wurde auch ein ähnlicher Versuch durchgeführt, indem isolierende Füllstoffe aus Siliciumdioxid und Keatit verwendet wurden, welche in Tabelle 2 nicht aufgeführt sind, und deren Gehalt eingestellt wurde, um einen Längenausdehnungskoeffizienten von weniger als 6,8 × 10^–6/°C zu erzielen, wobei die folgenden Ergebnisse erzielt wurden: Keine der 10 untersuchten Proben wurde als eine Leckageprobe bei den zwei Druckpegeln, 1,5 MPa (Standardtest) und 2,5 MPa (beschleunigter Versuch), evaluiert, was darauf hindeutet, dass ein gutes Dichtungsvermögen geschaffen wurde.
Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse des Versuches, der unter der Bedingung durchgeführt wurde, dass das in dem Isolator ausgebildete Durchgangsloch einen Durchmesser D6 = 3,9 mm besitzt. Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse des Versuches (beschleunigter Versuch), der auf ähnliche Weise durchgeführt wurde, wie der zu Tabelle 1 zugehörige Versuch, mit dem Unterschied, dass Isolatoren mit einem anderen Durchmesserwert D6 verwendet wurden, während die Außenabmessungen des Isolators unverändert blieben. Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, dass, wenn der Durchmesser D6 4 mm übersteigt, z. B. 5 mm beträgt, kein Problem bezüglich des Dichtungsvermögens auftritt, was darauf hindeutet, dass die Wirkung der vorliegenden Erfindung bei einem D6-Wert, der nicht größer als 4 mm ist, wie erwartet erzielt wird.
Tabelle 3 Isolierender Füllstoff: Cordierit

Claims

Zündkerze (100), in welcher ein metallisches Anschlussteil (13) und eine Mittelelektrode (3) mittels eines leitfähigen Dichtmaterials (16, 17) innerhalb eines Durchgangsloches (6), welches axial in einem Isolator (2) ausgebildet ist, sicher und starr gehalten sind, wobei der Isolator (2) aus Aluminiumoxidkeramik gebildet ist und ein Durchmesser des Durchgangsloches (6) an einer Position, wo das leitfähige Dichtungsmaterial (16, 17) angeordnet ist, nicht größer als 4 mm ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Längenausdehnungskoeffizient des leitfähigen Dichtmaterials (16, 17) auf weniger als 6,8 × 10^–6/°C eingestellt ist.
Zündkerze nach Anspruch 1, wobei das leitfähige Dichtmaterial (16, 17) ein Basisglas, einen leitfähigen Füllstoff und einen isolierenden Füllstoff aufweist, und wobei der isolierende Füllstoff aus einem anorganischen Material mit einem Längenausdehnungskoeffizienten gebildet ist, welcher niedriger ist als jener des Aluminiumoxids.
Zündkerze nach Anspruch 2, wobei der isolierende Füllstoff aus einem anorganischen Material mit einem Längenausdehnungskoeffizienten gebildet ist, welcher niedriger ist als jener des Basisglases.
Zündkerze nach Anspruch 2 oder 3, wobei der isolierende Füllstoff aus einem anorganischen Material gebildet ist, welches ein Oxid ist.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei in einer Mikrostruktur des leitfähigen Dichtungsmaterials, wenn es in einem Querschnitt betrachtet wird, leitfähige Füllstoffpartikel mit einer Partikelgröße im Bereich von 100 bis 350 μm eine Fläche im Bereich von 2 bis 40% in der Mikrostruktur bedecken.
Zündkerze nach Anspruch 5, wobei der Längenausdehnungskoeffizient des leitfähigen Dichtungsmaterials (16, 17) so eingestellt ist, dass er im Bereich von 3,0 × 10^–6/°C bis 6,5 × 10^–6/°C ist.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das leitfähige Dichtungsmaterial (16, 17) den isolierenden Füllstoff in einer Menge im Bereich von 2 bis 40 Massenprozent aufweist.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der isolierende Füllstoff isolierende Füllstoffpartikel mit einer Partikelgröße von weniger als 50 μm aufweist, welche in einer Menge von nicht mehr als 10 Massenprozent vorliegen, und isolierende Füllstoffpartikel mit einer Partikelgröße von mehr als 350 μm aufweist, welche in einer Menge von nicht mehr als 5 Massenprozent vorliegen.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei eine oder mehrere Substanzen, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, welche β-Eukryptit, β-Spodumen, Keatit, Siliziumdioxid, Mullit, Cordierit, Zirkon und Aluminiumtitanat aufweist, verwendet werden, um den isolierenden Füllstoff zu bilden.