JP2007122879A - スパークプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性、雑音防止効果に優れ、かつ、生産性に優れたスパークプラグを提供すること。
【解決手段】軸方向に形成された貫通孔５を有し、前記貫通孔５が第１貫通孔５ａとこれよりも孔径の大きい第２貫通孔５ｂとからなる絶縁体２に対し、前記貫通孔５の前記第１貫通孔５ａ側に中心電極３が固定され、前記貫通孔５の前記第２貫通孔５ｂ側に端子金具２３が固定されてなるスパークプラグ１００であって、前記第２貫通孔５ｂ内における前記中心電極３と前記端子金具２３との間に少なくともセラミック焼結体からなるセラミック焼結体抵抗器２１が配置されてなり、前記セラミック焼結体抵抗器２１の長さが前記第２貫通孔５ｂの長さの４０％以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関に使用されるスパークプラグに関し、特に電波ノイズ発生防止用のセラミック焼結体抵抗器を組み込んだスパークプラグに関する。

従来より、内燃機関用スパークプラグとして、軸方向に貫通孔を有する筒状の絶縁体と、この貫通孔内の一方の端部に嵌め込まれた中心電極と、貫通孔内の他方の端部に嵌め込まれた端子金具と、絶縁体の外周に嵌め合わされた主体金具とを備えたものが知られている。そして、中心電極および端子金具と絶縁体の貫通孔との間の気密は、一般に金属粉末とガラス粉末の混合物からなる導電性ガラスシール材を中心電極と端子金具との間の貫通孔内に充填するガラスシール法により行われ、これにより中心電極と端子金具との電気的な接続も同時に行われる。

このような内燃機関用スパークプラグは、火花放電の際に妨害電波を発生し各種の電子機器に障害を与える。このためスパークプラグとしての機能と電波ノイズ防止器としての機能を合わせ持った抵抗入りスパークプラグが考え出されている。抵抗入りスパークプラグとしては、その抵抗体の性状によりモノリシック式とカートリッジ式とに大別されている。

モノリシック式のスパークプラグは、例えば中心電極を絶縁体の貫通孔内に差し込み、さらにその中心電極の後端側の貫通孔内にガラス粉末と金属粉末を混合した導電性ガラスシール材粉末、セラミック粉末、カーボンブラック、炭質物質およびガラス粉末等を混合したガラス質抵抗体組成物粉末、上述の導電性ガラスシール材粉末を順に充填し、これらを高温（例えば８００℃〜１０００℃）に加熱して、導電性ガラスシール材粉末およびガラス質抵抗体組成物粉末を軟化させた状態で端子金具を絶縁体の貫通孔内に熱間加圧することにより中心電極と端子電極との間を封着することにより製造されている（例えば、特許文献１参照。）。

このようなモノリシック式のスパークプラグにおいては、主に導電性ガラスシール材粉末およびガラス質抵抗体組成物粉末を絶縁体の貫通孔内に充填、加熱する工程で済むため、生産工程が少なく生産性に優れており、また耐久性にも優れている。

一方、カートリッジ式のスパークプラグは、例えば中心電極を絶縁体の貫通孔内に差し込み、ガラス粉末と金属粉末を混合した導電性ガラスシール材を充填した後、絶縁物の表面に螺旋状に電気抵抗材料を形成した巻線抵抗器を挿入し、さらに導電性ガラスシール材を充填し、これらを高温（例えば８００℃〜１０００℃）に加熱して、導電性ガラスシール材を軟化させた状態で端子電極を絶縁体の貫通孔内に熱間加圧することにより中心電極と端子電極との間を封着することにより製造されている。

この巻線抵抗器としては、例えば円柱状の絶縁物の表面に螺旋状の溝が形成され、その螺旋状の溝に抵抗被膜が形成されたもの（例えば、特許文献２参照。）、円柱状の絶縁物の表面に螺旋状に電気抵抗材料を印刷して焼結したもの（例えば、特許文献３参照。）、また、被膜の抵抗値やその温度依存性から被膜の厚さを特定の厚さとしたもの（例えば、特許文献４参照。）等が挙げられる。一般に、巻線抵抗器を用いたカートリッジ式のスパークプラグは、モノリシック式のものに比べて雑音電流が少なく、雑音防止効果に優れている。
特開昭５１−２７４９４号公報 特開昭４９−１１６５５９号公報 特開昭６１−１３５０７９号公報 特開平１−２８３７８４号公報

しかしながら、モノリシック式のスパークプラグにおいては、生産性、耐久性に優れているものの、絶縁体への導電性ガラスシール材粉末およびガラス質抵抗体組成物粉末の充填、その後の絶縁体の貫通孔内への端子金具の熱間加圧等の製造上の制約から、絶縁体貫通孔の長さに対する抵抗体の長さを十分に長くすることが困難であり、雑音防止効果を向上させることが困難となっている。

また、巻線抵抗器を用いたカートリッジ式のスパークプラグにおいては、雑音防止効果に優れているものの、電気抵抗材料からなる巻線が断線しやすく耐久性が十分でない。また、気密性を向上させるために導電性ガラスシール材粉末を高温に加熱して封着を行う場合、巻線がこの高温での加熱に耐えられないことがある。このため、導電性ガラスシール材粉末を高温に加熱して封着を行うために封着用端子を用いることが検討されているが、封着用端子を用いた場合、封着用端子の長さのために絶縁体貫通孔の長さに対する巻線抵抗器の長さを十分に取ることが困難であり、雑音防止効果を向上させることは困難となっている。

特に、近年ではコンピュータを用いて複雑に制御を行う内燃機関が増加しており、スパークプラグに対する雑音防止の要求が高くなってきている。本発明は上述したような課題を解決するためになされたものであって、耐久性、雑音防止効果に優れ、かつ、生産性に優れたスパークプラグを提供することを目的としている。

本発明のスパークプラグは、軸方向に延びる貫通孔を有し、該貫通孔が第１貫通孔及び該第１貫通孔よりも後端側に当該第１貫通孔よりも孔径が大きい第２貫通孔となる絶縁体と、前記絶縁体の第１貫通孔内に配置される中心電極と、前記絶縁体の第２貫通孔内に配置される端子金具と、を備えるスパークプラグであって、
前記第２貫通孔内に、導電性セラミック焼結体で形成されると共に、前記中心電極と前記端子金具とを電気的に接続するセラミック焼結体抵抗器が配置されてなり、前記セラミック焼結体抵抗器の軸方向長さが前記第２貫通孔の軸方向長さの４０％以上であることを特徴とする。

本発明では、このような抵抗体として予め焼結されたセラミック焼結体抵抗器を絶縁体の第２貫通孔に挿入するものとすることで、従来のような製造上の長さの制約を受けず、セラミック焼結体抵抗器の長さを十分に長くすることができる。これにより、中心電極と端子電極との間の実効誘電率を小さくし、点火時に発生する容量放電電流を小さくし、雑音防止効果を大きくすることができる。

そして、セラミック焼結体抵抗器の長さ（ＬＲ）を第２貫通孔の長さ（ＬＨ）の４０％以上とする（（ＬＲ／ＬＨ）×１００≧４０）ことで、中心電極と端子電極との間の実効誘電率を小さくし、点火時に発生する容量放電電流を小さくし、十分な雑音防止効果を得ることが可能となる。なお、セラミック焼結体抵抗器の長さ（ＬＲ）が第２貫通孔の長さ（ＬＨ）の４０％未満であると、十分な効果を得られにくい。さらに、より好ましいセラミック焼結体抵抗器の長さ（ＬＲ）は、第２貫通孔の長さ（ＬＨ）の５０％以上である（（ＬＲ／ＬＨ）×１００≧５０）。

また、本発明のスパークプラグは、前記中心電極の後端及び前記セラミック焼結体抵抗器の先端を固着し、ガラス成分を主成分とするシール部をさらに備えると好ましい。このように、中心電極を固着するシール部にセラミック焼結体抵抗器をさらに固着することで、別途、封着用端子等を用いる必要がなく、セラミック焼結体抵抗器の長さを十分に取ることができ、雑音防止効果を向上させることができる。

また、本発明のスパークプラグは、前記中心電極の後端と前記セラミック焼結体抵抗器の先端との距離が０．５〜１．５ｍｍであることが好ましい。中心電極の後端と前記セラミック焼結体抵抗器の先端との距離が１．５ｍｍ以下となることで、セラミック焼結体抵抗器がより中心電極側（発火部側）に近づくこととなり、雑音防止効果がより向上する。一方、中心電極の後端と前記セラミック焼結体抵抗器の先端との距離が０．５ｍｍ以上となることで、中心電極及びセラミック焼結体抵抗器の固着力を保つことができる。

また、本発明のスパークプラグは、前記シール部が前記セラミック焼結体抵抗器の先端側外側面と前記第２貫通孔の内周面との間隙に充填された充填部を有し、
前記充填部は、前記セラミック焼結体抵抗器の先端から軸方向の距離が１０ｍｍ以下で延在していることが好ましい。このようにセラミック焼結体抵抗器の先端側外側面と第２貫通孔の内周面との間隙に充填部を有することで、セラミック焼結体抵抗器をシール部により確実に固着することができる。そして、この充填部の軸方向の距離が長い程、より確実に固着できる。しかし、抵抗値の小さい充填部の距離が長くなればなるほど、その充填部に対応するセラミック焼結体抵抗器が抵抗体として機能しなくなり、実質的に用いられるセラミック焼結体抵抗器の軸方向長さが短くなる。よって、雑音防止効果が低下する。そこで、上述のようにこの充填部の軸方向距離を１０ｍｍ以下とすることで、セラミック焼結体抵抗器の軸方向長さをできる限り確保し、雑音防止効果の低下を抑制しつつ、かつシール部でセラミック焼結体抵抗器を確実に固着することができる。

また、本発明のスパークプラグは、前記セラミック焼結体抵抗器が、軸線を通る断面において、先端面と側面とが形成する角部が略直角であることが好ましい。これにより、セラミック焼結体抵抗器の先端側外側面と貫通孔の内周面との間隙にシール部を形成するシール材料が入りにくくなり、充填部の軸方向距離を１０ｍｍ以下とすることが容易にできる。

また、本発明のスパークプラグは、前記セラミック焼結体抵抗器を通り、前記軸線方向に垂直な断面にて切断したとき、前記セラミック焼結体抵抗器の断面積は、前記第２貫通孔の断面積の９０％以上であることが好ましい。このように、セラミック焼結体抵抗器の断面積が、第２貫通孔の断面積の９０％以上となることで、十分な雑音防止効果を得ることができる。なお、第２貫通孔の断面積の９０％未満である場合、十分な雑音防止効果が得られないことがある。さらに、セラミック焼結体抵抗器２１の断面積は、好ましくは第２貫通孔の９５％以上である。

また、本発明のスパークプラグは、前記セラミック焼結体抵抗器の後端側外側面と前記第２貫通孔の内周面との間隙に充填された絶縁部材をさらに備えることが好ましい。セラミック焼結体抵抗器と第２貫通孔の内周面に間隙が形成されていると、スパークプラグが振動することでセラミック焼結体抵抗器が振動していまい、セラミック焼結体抵抗器に亀裂や折損が生じてしまう虞がある。そこで、その間隙に絶縁部材を介在させることで、セラミック焼結体抵抗器の亀裂や折損を防止することができる。なお、この絶縁部材としては、ガラスが好ましい。

さらに、本発明のスパークプラグは、前記セラミック焼結体抵抗器に、導電性成分として酸化スズを含むことが好ましい。導電性粉末として酸化スズを主として用いることで、セラミック焼結体抵抗器の抵抗値を容易に調整することが可能となり、またその実効誘電率を小さくし、点火時に発生する容量放電電流を小さくし、十分な雑音防止効果を得ることができる。

本発明によれば、絶縁体の軸方向に形成された貫通孔に抵抗体を配置したスパークプラグにおいて、絶縁体の貫通孔を第１貫通孔とこれよりも径大な第２貫通孔とからなるものとし、抵抗体を第２貫通孔の軸方向長さの４０％以上の軸方向長さを有する予め焼成されたセラミック焼結体抵抗器とし、かつ、第２貫通孔の外部より挿入、固定したものとすることにより、生産性に優れ、かつ、耐久性、雑音防止効果に優れたスパークプラグとすることが可能となる。

以下、本発明について説明する。図１に、本発明に係るスパークプラグ１００の一例を示す。スパークプラグ１００は、筒状の主体金具１、この主体金具１の内部に設けられ、主体金具１から先端部２ａが突出するように嵌め込まれた絶縁体２、および、この絶縁体２の内部に設けられ、絶縁体２から先端部である発火部３ａが突出するように設けられた中心電極３を有する。なお、本実施形態において、図中の下側を先端側とし、図中の上側を後端側とする。中心電極３の内部には、放熱促進のための芯材３ｂが埋設されている。

主体金具１の先端部には、一端が溶接等により結合されるとともに他端側が側方に曲げ返され、その側面に設けられた発火部４ａが中心電極３の発火部３ａと対向するように接地電極４が設けられている。この接地電極４には、芯材が埋設されていてもよい。これら中心電極３の発火部３ａと接地電極４の発火部４ａとの間の隙間が火花放電ギャップｇとされている。これら中心電極３の発火部３ａおよび接地電極４の発火部４ａは一方又は双方を省略してもよい。

上述したような接地電極４および中心電極３は、主としてＮｉ合金やＦｅ合金等で構成される。また、中心電極３の内部に放熱促進のために埋設される芯材３ｂは、ＣｕあるいはＣｕ合金等で構成される。中心電極３の発火部３ａおよびそれに対向する接地電極４の発火部４ａは、例えばＩｒ、ＰｔおよびＲｈの１種又は２種以上を主成分とする貴金属合金を主体に構成される。

主体金具１は、低炭素鋼等の金属により円筒状に形成されており、スパークプラグ１００のハウジングを構成するとともに、その外周面には、スパークプラグ１００を図示しないエンジンブロックに取り付けるためのねじ部１ａが形成されている。さらに、主体金具１を内燃機関等に取り付ける際に、スパナやレンチ等の工具を係合させる工具係合部１ｂが形成されており、この工具係合部１ｂは、六角状の軸断面形状を有している。

絶縁体２は、内部に自身の軸方向に沿って中心電極３を嵌め込むための貫通孔５を有し、全体が後述する絶縁材料により構成されている。絶縁体２の外周面の軸方向中間には、周方向外向きに突出する突出部２ｂが例えばフランジ状に形成されている。さらに、該突出部２ｂよりも後端側に、突出部２ｂよりも細径に形成された本体部２ｃとされている。

一方、絶縁体２の突出部２ｂよりも先端側には、絶縁体２の先端部２ａ側から順に第１軸部２ｄ、第２軸部２ｅが順に形成されており、第１軸部２ｄは細径に形成されており、第２軸部２ｅはこれよりも径が大きくなるよう形成されている。この第１軸部２ｄの外周面は先端部２ａから後端側へ向かうほど径が大きくなる略円錐面状とされている。

第１軸部２ｄと第２軸部２ｅとの外周面における接続部２ｆは段付面とされ、これが主体金具１の内面に形成された主体金具側係合部としての凸条部１ｃとリング状の板パッキン１０を介して係合することにより、軸方向の抜止めがなされている。

絶縁体２は、アルミナを主体とする絶縁材料により構成され、例えばＡｌ成分を、Ａｌ２Ｏ３に換算した値にて８０〜９８ｍｏｌ％（望ましくは９０〜９８ｍｏｌ％）含有するアルミナ質セラミック焼結体として構成される。

Ａｌ以外の成分は、具体的には下記の範囲で１種又は２種以上を含有させることができる：
Ｓｉ成分：ＳｉＯ２換算値で１．５０〜５．００ｍｏｌ％；
Ｃａ成分：ＣａＯ換算値で１．２０〜４．００ｍｏｌ％；
Ｍｇ成分：ＭｇＯ換算値で０．０５〜０．１７ｍｏｌ％；
Ｂａ成分：ＢａＯ換算値で０．１５〜０．５０ｍｏｌ％；
Ｂ成分：Ｂ２Ｏ３換算値で０．１５〜０．５０ｍｏｌ％。

他方、主体金具１の後端側開口部内面と、絶縁体２の外面との間には、フランジ状の突出部２ｂの後端側周縁と係合するリング状の線パッキン１１が配置され、そのさらに後端側にはタルク等の充填層１２を介してリング状の線パッキン１３が配置されている。

そして、絶縁体２を主体金具１に向けて先端側に押し込み、その状態で主体金具１の開口縁をリング状の線パッキン１３に向けて内側に加締めることにより加締め部１ｄが形成され、主体金具１が絶縁体２に対して固定されている。なお、本体部２ｃの外周面後端部にはコルゲーション部２ｇが形成され、その外周面には釉薬層２ｈが形成されている。

また、絶縁体２の貫通孔５は、中心電極３を挿通、固定させる略円筒状の第１貫通孔５ａと、その第１貫通孔５ａの後端側においてこれよりも大径に形成される略円筒状の第２貫通孔５ｂとを有する。これら第１貫通孔５ａと第２貫通孔５ｂとは、第２軸部２ｅ内において互いに接続しており、その接続位置には、テーパ面状あるいはアール面状の接続部５ｃが形成されている。中心電極３にはその後端側に外周面から外向きに突出した電極固定用凸部３ｃが形成されており、この電極固定用凸部３ｃでこのテーパ面状あるいはアール面状の接続部５ｃと接している。

ここで、図１に示すように、第２貫通孔５ｂの長さをＬＨとする。なお、厳密には、第２貫通孔５ｂの長さ（ＬＨ）は、第１貫通孔５ａと第２貫通孔５ｂとの接続部５ｃの後端側端部から、第２貫通孔５ｂの後端側端部までの長さである。

第２貫通孔５ｂ内において、中心電極３の後端側には、導電性シール層２０を介してセラミック焼結体抵抗器２１が設けられている。さらに、セラミック焼結体抵抗器２１の後端側にはバネ等の導電性弾性体２２を介して端子金具２３が設けられている。これら中心電極３、導電性シール層２０、セラミック焼結体抵抗器２１、導電性弾性体２２および端子金具２３は電気的に接続されている。ここで、第２貫通孔５ｂ内に挿入されたセラミック焼結体抵抗器２１の軸方向の長さをＬＲとする。なお、導電性シール層が特許請求の範囲の「シール部」に相当する。

このようなスパークプラグ１００におけるセラミック焼結体抵抗器２１は、予め焼結されたものを絶縁体２の貫通孔５（第２貫通孔５ｂ）に挿入し、かつ、その長さ（ＬＲ）が第２貫通孔の長さ（ＬＨ）の４０％以上、すなわち（ＬＲ／ＬＨ）×１００≧４０である。

本発明では、このような抵抗体として予め焼結されたセラミック焼結体抵抗器２１を絶縁体２の貫通孔５（第２貫通孔５ｂ）に挿入するものとすることで、従来のような製造上の長さの制約を受けず、セラミック焼結体抵抗器２１の長さを十分に長くすることができる。これにより、中心電極３と端子電極２３との間の実効誘電率を小さくし、点火時に発生する容量放電電流を小さくし、雑音防止効果を大きくすることができる。

そして、上述したようにセラミック焼結体抵抗器２１の長さ（ＬＲ）を第２貫通孔部５ｂの長さ（ＬＨ）の少なくとも４０％とする（（ＬＲ／ＬＨ）×１００≧４０）ことで、中心電極３と端子電極２３との間の実効誘電率を小さくし、点火時に発生する容量放電電流を小さくし、十分な雑音防止効果を得ることが可能となる。より好ましいセラミック焼結体抵抗器２１の長さ（ＬＲ）は、第２貫通孔５ｂの長さ（ＬＨ）の少なくとも５０％である（（ＬＲ／ＬＨ）×１００≧５０）。

なお、セラミック焼結体抵抗器２１の長さ（ＬＲ）は雑音防止効果の点から長いほど好ましく、第２貫通孔の長さ（ＬＨ）から中心電極３、導電性弾性体２２および端子電極２３等に必要な最低限の長さを除いた長さに近づけることが好ましい。

さらに、中心電極３の電極固定用凸部３ｃよりも後端側の後端部３ｄとセラミック焼結体抵抗器２１とを導電性シール部２０で固着されている。このように中心電極３を固着する導電性シール層２０にセラミック焼結体抵抗器２１をさらに固着することで、別途、封着用端子等を用いる必要がなく、セラミック焼結体抵抗器２１の長さを十分に取ることができ、雑音防止効果を向上させることができる。

さらに、図２に示すように、中心電極３の後端とセラミック焼結体抵抗器２１の先端との距離ｔ１が０．８ｍｍとなっている。このように中心電極３の後端とセラミック焼結体抵抗器２１の先端との距離ｔ１が１．５ｍｍ以下となることで、セラミック焼結体抵抗器がより中心電極側（発火部側）に近づくこととなり、雑音防止効果がより向上する。一方、中心電極の後端と前記セラミック焼結体抵抗器の先端との距離が０．５ｍｍ以上となることで、中心電極及びセラミック焼結体抵抗器の固着力を保つことができる。

さらに、セラミック焼結体抵抗器２１の先端側外側面２１ａと第２貫通孔５ｂの内周面との間隙に、この間隙を埋める導電性シール層２０の充填部２０ａが充填されている。このように、セラミック焼結体抵抗器２１の先端側外側面２１ａと第２貫通孔５ｂの内周面との間隙に充填部２０ａを有することで、セラミック焼結体抵抗器２１を導電性シール層２０により確実に固着することができる。

そして、セラミック焼結体抵抗器２１の先端からの充填部２０ａの軸方向の距離ｔ２が７ｍｍとなっている。このように、充填部２０ａの軸方向距離ｔ２を１０ｍｍ以下とすることで、セラミック焼結体抵抗器２１の軸方向長さをできる限り確保し、雑音防止効果の低下を抑制しつつ、かつ導電性シール層２０でセラミック焼結体抵抗器２１を確実に固着することができる。

さらに、セラミック焼結体抵抗器２１の先端面と側面とが形成する角部２１ｃが略直角である。これにより、セラミック焼結体抵抗器２１の先端側外側面２１ａと第２貫通孔５ｂの内周面との間隙に導電性シール層２０を形成するシール材料が入りにくくなり、充填部２０ａの軸方向距離ｔ２を１０ｍｍ以下とすることが容易にできる。

本発明におけるセラミック焼結体抵抗器２１の断面積は必ずしも制限されるものではないが、第２貫通孔５ｂの断面積の９０％以上とすることが好ましい。第２貫通孔５ｂの断面積の９０％未満である場合、十分な雑音防止効果が得られないおそれがある。セラミック焼結体抵抗器２１の断面積は、好ましくは９５％以上である。

さらに、セラミック焼結体抵抗器２１の後端側外側面２１ｄと第２貫通孔５ｂの内周面との間隙に、ガラス部材２７を介在させている。このように、セラミック焼結体抵抗器２１の後端側外側面２１ｄと第２貫通孔５ｂの内周面との間隙にガラス部材２７を充填することで、振動によるセラミック焼結体抵抗器２１の亀裂や折損を防止することができる。なお、このガラス部材は、特許請求の範囲の「絶縁材料」に相当する。

導電性シール層２０は、主としてガラス粉末と導電性粉末とからなるものである。ガラス粉末は、例えばＢ２Ｏ３−ＳｉＯ２系、ＢａＯ−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＣａＯ−ＢａＯ系、ＳｉＯ２−ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｌｉ２Ｏ系およびＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｌｉ２Ｏ−ＢａＯ系等の酸化物を主体とするものであり、導電性粉末は、Ｃｕ、ＦｅおよびＳｎ等の金属成分から選ばれる１種または２種以上を主体とするものである。また、導電性シール層２０は、必要に応じてＴｉＯ２等の半導体性の無機化合物粉末、絶縁性粉末等を含有してもよい。

導電性シール層２０における導電性粉末の含有量は、３５重量％以上７０重量％以下とすることが好ましい。導電性粉末の含有量が３５重量％未満であると、導電性シール層２０におけるネットワーク状の導電路を形成する導電性粉末の含有量が少ないため導電性の確保が困難となるおそれがあり、導電性粉末の含有量が７０重量％を超えると、熱膨張係数の高い導電性粉末が多くなるため導電性シール層２０の熱膨張係数が大きくなり、剥離やクラックが発生するおそれがある。

セラミック焼結体抵抗器２１は、主として骨材と導電性粉末とを焼成してなるものである。骨材としては、例えばガラス粉末および絶縁性セラミック粉末が挙げられ、これらは１種のみで用いてもよいし、両者を併用してもよい。

ガラス粉末としては、例えばＢ２Ｏ３−ＳｉＯ２系、ＢａＯ−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＣａＯ−ＢａＯ系、ＳｉＯ２−ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｌｉ２Ｏ系およびＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｌｉ２Ｏ−ＢａＯ系等のガラス粉末が挙げられ、これらは１種のみで用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。

また、絶縁性セラミック粉末としては、例えばアルミナ、窒化ケイ素、ムライトおよびステアタイト等の絶縁性セラミック粉末が挙げられ、これらは１種のみで用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。

導電性粉末としては、例えば半導体酸化物、金属および非金属導電性材料等からなる導電性粉末が挙げられ、これらは１種のみで用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。

半導体酸化物としては、例えば酸化スズが挙げられ、金属としては例えば亜鉛、アンチモン、スズ、銀およびニッケル等が挙げられ、非金属導電性材料としては、例えば無定形カーボン（カーボンブラック）、グラファイト、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化タングステンおよび炭化ジルコニウム等が挙げられる。これら半導体酸化物、金属および非金属導電性材料として挙げた各材料は、１種のみで用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。

本発明におけるセラミック焼結体抵抗器２１は上述したような各成分を適宜選択して用いることができるが、例えば骨材としてステアタイト、導電性粉末として酸化スズを主として用いることが好ましい。このような組み合わせとすることで、例えばセラミック焼結体抵抗器２１の抵抗値を容易に調整することが可能となり、またその実効誘電率を小さくし、点火時に発生する容量放電電流を小さくし、十分な雑音防止効果を得ることができる。本発明におけるセラミック焼結体抵抗器２１の抵抗値は、例えば２ｋΩ以上８ｋΩ以下とすることが好ましく、４ｋΩ以上６ｋΩ以下であればより好ましい。

次に、スパークプラグ１００の製造方法の一例を説明する。まず、スパークプラグ１００の製造に用いられる絶縁体２、セラミック焼結体抵抗器２１および導電性シール層２０を形成するための導電性シール粉末の製造について説明する。

絶縁体２は、例えば原料粉末としてアルミナ粉末と、Ｓｉ成分、Ｃａ成分、Ｍｇ成分、Ｂａ成分およびＢ成分の各成分源粉末を、焼成後に酸化物換算にて前述の組成となる所定の比率で配合し、所定量の結合剤（例えばＰＶＡ）と水とを添加・混合して成形用素地スラリーを作る。

なお、各成分源粉末は、例えばＳｉ成分はＳｉＯ２粉末、Ｃａ成分はＣａＣＯ３粉末、Ｍｇ成分はＭｇＯ粉末、Ｂａ成分がＢａＣＯ３粉末、Ｂ成分がＨ３ＢＯ３粉末の形で配合できる。なお、Ｈ３ＢＯ３は溶液の形で配合してもよい。

成形用素地スラリーは、スプレードライ法等により噴霧乾燥されて成形用素地造粒物とされる。そして、成形用素地造粒物をラバープレス成形することにより、絶縁体の原形となるプレス成形体を作る。ここでは、内部に軸方向に貫通するキャビティを有するゴム型が使用され、そのキャビティの下側開口部に下パンチが嵌め込まれる。また、下パンチのパンチ面には、キャビティ内においてその軸方向に延びるとともに、絶縁体２の貫通孔５の形状を規定するプレスピンが一体的に凸設されている。

この状態でキャビティ内に、所定量の成形用素地造粒物を充填し、キャビティの上側開口部を上パンチで塞いで密封する。この状態でゴム型の外周面に液圧を印加し、キャビティの造粒物を、該ゴム型を介して圧縮することによりプレス成形体を得る。

なお、成形用素地造粒物は、プレス時における造粒物の粉末粒子への解砕が促進されるよう、該成形用素地造粒物の重量を１００重量部として、０．７〜１．３重量部の水分が添加された後、上記プレス成形が行われる。成形体は、外面側がグラインダ切削等により加工されて、絶縁体２に対応した外形形状に仕上げられ、次いで大気中で温度１４００〜１６００℃で１〜８時間焼成されて、例えば図１に示すような絶縁体２となる。

また、セラミック焼結体抵抗器２１についても、まず所定の骨材および導電性粉末を所定量だけ配合したものにバインダを加え、溶媒中にて十分に混合した後、乾燥して抵抗体組成物粉末とする。そして、この抵抗体組成物粉末を用いて、上述したような絶縁体２の製造で用いたプレス成形法等によりプレス成形体を得た後、焼成して、所定の形状に加工を施しセラミック焼結体抵抗器２１とする。そして、このセラミック焼結体抵抗器２１の後端側外側面２１ｄにガラス部材２７となるガラス材料を塗布する。

ここで、セラミック焼結体抵抗器２１の長さ（ＬＲ）は、絶縁体２の第２貫通孔の長さ（ＬＨ）の４０％以上となるようにする。また、セラミック焼結体抵抗器２１の抵抗値は、抵抗体組成物粉末の組成を変更すること等により、所定の抵抗値に調整されている。

また、導電性シール層２０を形成するための導電性シール粉末の調製は、例えば上述したようなベースガラス粉末および導電性粉末を所定の組成で配合して配合原料とし、これを均一に混合、分散させることにより行うことができる。

次に、絶縁体２への中心電極３、セラミック焼結体抵抗器２１、端子金具２３等の組付けについて、以下に説明する。絶縁体２への中心電極３、セラミック焼結体抵抗器２１の組付けは、以下に説明するガラスシール工程により行なわれる。

まず、絶縁体２には、噴霧ノズルから釉薬スラリーを噴霧、塗布した後、これを乾燥し、図１の釉薬層２ｈとなるべき釉薬スラリー塗布層２ｈａ（図３）を形成する。

次に、図３に示すように、この釉薬スラリー塗布層２ｈａが形成された絶縁体２の貫通孔５に対し、その第１貫通孔５ａに中心電極３を挿入する。さらに、図４に示すように、上記導電性シール粉末Ｈを、第２貫通孔５ｂ内の中心電極３の後端側に充填する。そして、図５に示すように、第２貫通孔５ｂ内に押さえ棒３０を挿入し、充填した導電性シール粉末Ｈを予備圧縮し、導電性シール粉末層２０ａを形成する。

次いで、図６に示すように、上記抵抗体組成物粉末をプレス成形、焼成し、所定の形状としたセラミック焼結体抵抗器２１を絶縁体２の後端側から第２貫通孔５ｂ内に挿入し、導電性シール粉末層２０ａとセラミック焼結体抵抗器２１とを接触させた状態とする。

この状態で、図７に示すように、加熱炉に挿入して７００〜９５０℃の所定温度に加熱し、その後、セラミック焼結体抵抗器２１を貫通孔５内の後端側から軸方向の先端側に圧入する。このとき、セラミック焼結体抵抗器２１の後端側外側面２１ｄと第２貫通孔５ｂの内周面との間隙に、ガラス部材２７も同時に形成される。

こうして導電性シール層２０によりセラミック焼結体抵抗器２１が固定された絶縁体２には、図８に示すように、貫通孔５の後端側よりバネ等の導電性弾性体２２が挿入され、さらに端子金具２３が装着され組立体ＰＡとなる。この組立体ＰＡには、さらに主体金具１や接地電極４等が組み付けられて、図１に示すスパークプラグ１００となる。このようにして製造されたスパークプラグ１００は、そのねじ部１ａにおいてエンジンブロックに取り付けられ、燃焼室に供給される混合気への着火源として使用される。

以上、本発明のスパークプラグ１００について説明したが、本発明においてはその趣旨に反しない限度においてその構成を適宜変更することができる。例えば、本実施形態では、予めセラミック焼結体抵抗器にガラス部材２７を塗布し、その後、セラミック焼結体抵抗器２１をガラスシール工程にて絶縁体２に組付ける際に、セラミック焼結体抵抗器２１の後端側外側面２１ｄと第２貫通孔５ｂの内周面との間隙に介在させたが、これに限らず、予めセラミック焼結体抵抗器にガラス部材２７を塗布せずにガラスシール工程を行い、その後、軟化させたガラス材料をセラミック焼結体抵抗器２１の後端側外側面２１ｄと第２貫通孔５ｂの内周面との間隙に充填することでガラス部材２７を作成しても良い。

以下、本発明について実施例を参照して説明する。

（実施例１〜３）
まず、絶縁体２を次のようにして作製した。原料粉末として、アルミナ粉末（アルミナ９５ｍｏｌ％、Ｎａ含有量（Ｎａ２Ｏ換算値）０．１ｍｏｌ％、平均粒径３．０μｍ）に対し、ＳｉＯ２（純度９９．５％、平均粒径１．５μｍ）、ＣａＣＯ３（純度９９．９％、平均粒径２．０μｍ）、ＭｇＯ（純度９９．５％、平均粒径２μｍ）、ＢａＣＯ３（純度９９．５％、平均粒径１．５μｍ）、Ｈ３ＢＯ３（純度９９．０％、平均粒径１．５μｍ）を所定の比率となるように配合するとともに、この配合した粉末総量を１００重量部として、親水性バインダとしてのＰＶＡを３重量部と、水１０３重量部とを加えて湿式混合することにより、成形用素地スラリーを作製した。

次いで、このスラリーをそれぞれスプレードライ法により乾燥して、球状の成形用素地造粒物を調製した。なお、成形用素地造粒物は、ふるいにより粒径５０〜１００μｍに整粒した。そして、この成形用素地造粒物を、既に説明したラバープレス法により圧力５０ＭＰａにて成形し、その成形体の外周面にグラインダ研削を施して所定の絶縁体形状に加工するとともに、温度１５５０℃で２時間焼成することにより絶縁体２を得た。なお、蛍光Ｘ線分析により、絶縁体２は下記の組成を有していることがわかった：

Ａｌ成分：Ａｌ２Ｏ３換算値で９４．９ｍｏｌ％；
Ｓｉ成分：ＳｉＯ２換算値で２．４ｍｏｌ％；
Ｃａ成分：ＣａＯ換算値で１．９ｍｏｌ％；
Ｍｇ成分：ＭｇＯに換算値で０．１ｍｏｌ％；
Ｂａ成分：ＢａＯに換算値で０．４ｍｏｌ％；
Ｂ成分：Ｂ２Ｏ３換算値で０．３ｍｏｌ％。

次に、質量比にて１：１に配合されたＣｕ粉末とＦｅ粉末（いずれも平均粒径３０μｍ）とからなる金属粉末とベースガラス粉末（平均粒径１５０μｍ）とを、金属粉末の含有量が約５０重量％となるように混合して、導電性シール粉末Ｈを作製した。

絶縁体２の第１貫通孔５ａに中心電極３を挿入した後、この中心電極３の後端側である第２貫通孔５ｂ内に導電性シール粉末Ｈを充填し、これを押さえ棒３０にて予備圧縮し、導電性シール粉末層２０ａを形成した。

次に、骨材としてのステアタイトおよび導電性粉末としての酸化スズから主としてなり、長さ（ＬＲ）が第２貫通孔５ｂの長さ（ＬＨ）の４０％以上に調整されたセラミック焼結体抵抗器２１を、絶縁体２の第２貫通孔５ｂの導電性シール粉末層２０ａの後端側に挿入した。そして、これらを加熱炉に挿入した後、９００℃に加熱し、セラミック焼結体抵抗器２１を貫通孔５の後端側から軸方向の先端側に圧入した。

なお、実施例１に係るセラミック焼結体抵抗器２１の長さ（ＬＲ）は、第２貫通孔５ｂの長さ（ＬＨ）の６１％、同様に実施例２に係るセラミック焼結体抵抗器２１の長さ（ＬＲ）は５０％、実施例３に係るセラミック焼結体抵抗器２１の長さ（ＬＲ）は４０％とした。実施例１〜３に係る各セラミック焼結体抵抗器２１の断面積および抵抗値は同一とし、断面積は第２貫通孔５ｂの断面積の９７％、抵抗値は５ｋΩとした。

そして、中心電極３、セラミック焼結体抵抗器２１が固定された絶縁体２には、貫通孔５の後端側より導電性弾性体２２としてのバネが挿入され、さらに端子金具２３を装着し組立体ＰＡとした。さらに、この組立体ＰＡに主体金具１、接地電極４等が組み付けて、スパークプラグ１００とした。

（比較例１、２）
実施例１と同様の製造方法にてスパークプラグを製造した。なお、比較例１に係るセラミック焼結体抵抗器の長さ（ＬＲ）は、第２貫通孔の長さ（ＬＨ）の３７％、同様に比較例２に係るセラミック焼結体抵抗器の長さ（ＬＲ）は３３％とした。比較例１、２に係る各セラミック焼結体抵抗器の断面積および抵抗値は同一とし、断面積は第２貫通孔の断面積の９７％、抵抗値は５ｋΩとした。

（比較例３）
実施例１と同様の絶縁体２中に、図９に示すように、中心電極３を挿入した後、導電性シール粉末、抵抗体組成物粉末および導電性シール粉末を順に充填し、押さえ棒により予備圧縮することにより、第１導電性シール粉末層２０ａ、抵抗体組成物粉末層４０ａおよび第２導電性シール粉末層４１ａを積層させた。

なお、第１導電性シール粉末層２０ａと第２導電性シール粉末層４１ａの形成に用いた導電性シール粉末の組成は、実施例１で用いた導電性シール粉末と同様の組成とし、第１導電性シール粉末層２０ａの形成に用いた導電性シール粉末の量は実施例１で用いた導電性シール粉末と同量とした。

抵抗体組成物粉末層４１ａの形成に用いた抵抗体組成物粉末は、実施例１に係るセラミック焼結体抵抗器の製造に用いられたものと同様のものとした。抵抗体組成物粉末層４０ａの作製に用いた抵抗体組成物粉末の量は、この種の製造方法で一般的に使用可能な量とした。

次に、この状態で９００℃に加熱して、図９に示すように、絶縁体２の貫通孔５の後端側から端子金具４２を圧入し、積層状態の各層を軸方向にプレスすることにより、図１０に示されるような第１導電性シール層２０と、抵抗体４０と、第２導電性シール層４１を備えた組立体ＰＡを作製した。その後、この組立体ＰＡに主体金具等を取り付け、スパークプラグを作製した。なお、得られたスパークプラグにおける抵抗体４０の長さ（ＬＲ）は、第２貫通孔５ｂの長さ（ＬＨ）の２２％であり、抵抗体４０の抵抗値は５ｋΩであった。

（比較例４）
実施例１と同様の絶縁体２中に中心電極３を挿入し、実施例１と同様の導電性シール粉末を充填した後、押さえ棒により予備圧縮することにより導電性シール粉末層２０ａとした。さらに、図１１に示すように、絶縁体２の貫通孔５の後端側から封着端子５０を挿入し、導電性シール粉末層２０ａと封着端子５０とを接触させた状態とした。この状態で、加熱炉に挿入して９００℃に加熱し、その後、封着端子５０を貫通孔５内の後端側から軸方向の先端側に圧入して、図１２に示すような導電性シール層２０と封着端子５０とが固定した状態とした。

その後、図１３に示すように、絶縁体２の貫通孔５の後端側から巻線抵抗器５１を挿入した後、バネ５２、端子金具５３を装着し組立体ＰＡとした。この組立体ＰＡに主体金具等を取り付け、スパークプラグを作製した。なお、巻線抵抗器５１の長さ（ＬＲ）は、第２貫通孔５ｂの孔長（ＬＨ）の３１％とした。また、巻線抵抗器５１の抵抗値は０．０５ｋΩとした。

表１に、実施例１〜３、比較例１〜４で用いた抵抗体のタイプ、絶縁体の第２貫通孔の長さ、抵抗体の長さ、絶縁体の第２貫通孔の長さに対する抵抗体の長さの比（ＬＲ／ＬＨ×１００［％］）および抵抗体の抵抗値をまとめて示す。

次に、実施例１〜３、比較例１〜４のスパークプラグについて、雑音防止効果および耐久性について評価を行った。結果を表２に示す。

なお、雑音防止効果の評価はＪＡＳＯ Ｄ ００４−９１の電流法に基づき、チャンバ圧力４００ｋＰａ、スパークプラグの印加電圧１２ｋＶで、周波数３０Ｈｚ、２５０Ｈｚおよび７５０Ｈｚについて行った。

表中、雑音防止効果の判定は、比較例３のスパークプラグの雑音電流強度を基準とし、比較例３のスパークプラグの雑音電流強度に対して全ての周波数域で雑音電流強度が７．５％以上小さかったものを「◎」、５．０％以上７．５％未満であったものを「○」、５％未満であったものを「△」で示した。

また、耐久性は、スパークプラグの印加電圧２０ｋＶ、火花回数６０Ｈｚで、２００時間の抵抗値変化率を測定した。表中、「○」は抵抗値変化率が±５０％以内であったもの、「×」は抵抗値変化率が±５０％を超えるものを示す。

表２から明らかなように、予め焼成が行われたセラミック焼結体抵抗器を絶縁体に挿入し、かつ、そのセラミック焼結体抵抗器の長さ（ＬＲ）を第２貫通孔５ｂの長さ（ＬＨ）の４０％以上とすることにより、従来のモノリシック式のものに比べて大幅に雑音防止効果を向上でき、また一般に雑音防止効果に優れるとされる巻線抵抗器を用いたものに比べても同等以上の雑音防止効果を得られることが認められた。さらに、耐久性についても従来のモノリシック式のものと同等の耐久性を得られることが認められた。

本発明のスパークプラグの一例を示した断面図 本発明のスパークプラグの部分拡大断面図 本発明のスパークプラグの製造工程の一例を示した断面図 本発明のスパークプラグの製造工程の一例を示した断面図 本発明のスパークプラグの製造工程の一例を示した断面図 本発明のスパークプラグの製造工程の一例を示した断面図 本発明のスパークプラグの製造工程の一例を示した断面図 本発明のスパークプラグの製造工程の一例を示した断面図 従来のモノリシック式のスパークプラグの製造工程の一例を示した断面図 従来のモノリシック式のスパークプラグの製造工程の一例を示した断面図 従来の巻線抵抗器を用いたスパークプラグの製造工程の一例を示した断面図 従来の巻線抵抗器を用いたスパークプラグの製造工程の一例を示した断面図 従来の巻線抵抗器を用いたスパークプラグの製造工程の一例を示した断面図

符号の説明

１…主体金具、２…絶縁体、３…中心電極、４…接地電極、５…貫通孔、５ａ…第１貫通孔、５ｂ…第２貫通孔、２０…導電性シール層、２１…セラミック焼結体抵抗器、２２…導電性弾性体、２３…端子金具、１００…スパークプラグ

Claims (8)

1. 軸方向に延びる貫通孔を有し、該貫通孔が第１貫通孔及び該第１貫通孔よりも後端側に当該第１貫通孔よりも孔径が大きい第２貫通孔となる絶縁体と、
   前記絶縁体の第１貫通孔内に配置される中心電極と、
   前記絶縁体の第２貫通孔内に配置される端子金具と、
   を備えるスパークプラグであって、
   前記第２貫通孔内に、導電性セラミック焼結体で形成されると共に、前記中心電極と前記端子金具とを電気的に接続するセラミック焼結体抵抗器が配置されてなり、前記セラミック焼結体抵抗器の軸方向長さが前記第２貫通孔の軸方向長さの４０％以上であることを特徴とするスパークプラグ。
2. 請求項１記載のスパークプラグであって、
   前記中心電極の後端及び前記セラミック焼結体抵抗器の先端を固着し、ガラス成分を主成分とするシール部をさらに備えることを特徴とするスパークプラグ。
3. 請求項２記載のスパークプラグであって、
   前記中心電極の後端と前記セラミック焼結体抵抗器の先端との距離が０．５ｍｍ〜１．５ｍｍであることを特徴とするスパークプラグ。
4. 請求項２または３に記載のスパークプラグであって、
   前記シール部は、前記セラミック焼結体抵抗器の先端側外側面と前記第２貫通孔の内周面との間隙に充填された充填部を有し、
   前記充填部は、前記セラミック焼結体抵抗器の先端から軸方向の距離が１０ｍｍ以下の範囲で延在していることを特徴とするスパークプラグ。
5. 請求項４に記載のスパークプラグであって、
   前記セラミック焼結体抵抗器は、軸線を通る断面において、先端面と側面とが形成する角部が略直角であることを特徴とするスパークプラグ。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のスパークプラグにおいて、
   前記セラミック焼結体抵抗器を通り、前記軸線方向に垂直な断面にて切断したとき、
   前記セラミック焼結体抵抗器の断面積は、前記第２貫通孔の断面積の９０％以上であることを特徴とするスパークプラグ。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載のスパークプラグであって、
   前記セラミック焼結体抵抗器の後端側外側面と前記第２貫通孔の内周面との間隙に充填された絶縁部材をさらに備えることを特徴とするスパークプラグ。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載のスパークプラグであって、
   前記セラミック焼結体抵抗器は、導電性成分として酸化スズを含むことを特徴とするスパークプラグ。