JP2007510617A - スパークプラグ絶縁体として用いるための高度な高温電気特性を備えたセラミック - Google Patents
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Abstract
Description
この出願は、2003年11月12日に出願され、その全体が引用によりこの明細書中に援用される米国仮特許出願連続番号第60/519,395号に関し、その優先権を主張する。
1.技術分野
この発明は概してセラミック材料に関し、より特定的には、スパークプラグの絶縁体において用いられるセラミック材料に関する。
内燃機関において用いられるスパークプラグ、グロープラグおよび他のこのような装置は、約1,000℃の高温環境に晒される。一般に、スパークプラグは、内燃機関の燃焼室に延在する装置であり、その内部で空気と燃料との可燃性混合物に点火するために火花を発生させる。特に、スパークプラグは典型的には円筒形の金属シェルを含み、当該金属シェルは、エンジンの一部にねじ込まれる雄ねじを有し、さらに、スパークプラグの点火端部に取付けられたフック状の接地電極を有する。円筒形の絶縁体は、部分的に金属シェル内に配置され、金属シェルを越えて点火端部に向かって軸方向に延在する。導電端子が、円筒形の絶縁体内において、当該点火端部と反対側のスパークプラグの末端部に配置される。点火端部においては、円筒形の中心電極が絶縁体内に配置され、接地電極に向かって絶縁体から軸方向に突き出、これにより、スパークプラグギャップが当該電極間に規定される。
表わされることが多い。多くの応用例において用いられる標準的なスパークプラグ設計のためのスパークプラグ絶縁耐力についての代表値は、室温で約40kVのオーダである。スパークプラグにおいて用いられるセラミック絶縁体の絶縁耐力はまた、温度の関数である。高温では、これらのセラミック材料におけるいくらかのイオンの移動度が大きくなる傾向があり、これにより、わずかな漏洩電流がセラミックを通ることが可能になる。この電流の漏洩が局所的な加熱を招き、絶縁破壊に対する材料の抵抗を徐々に低下させる。印加された電界下でのスパークプラグサイクルに対する熱応力や、それに付随する熱−電気的疲労のために、絶縁破壊に対するセラミック材料の抵抗がスパークプラグの寿命期間中に低下する傾向があることが確認された。微細構造および/または組成の変化についての正確な性質は完全に理解されているわけではないが、セラミック材料の部分的な溶解を引起すのに十分な温度にまで局所的に加熱することと関連があると考えられている。
先行技術のセラミックについての上述の欠点は、特にスパークプラグなどの点火装置において絶縁体として用いられるセラミックを提供するこの発明によって克服される。このような絶縁体は、スパークプラグの分路を減らし、これにより、スパークプラグが発生させる火花の質を向上させ、かつエンジン性能を向上させるようにするために、高いシャント抵抗と絶縁破壊特性とを有する。
約0.01〜約1重量%の量のジルコニウム含有化合物と、約1〜約10重量%の範囲の量の酸化混合物とを含む。ジルコニウム含有化合物は、好ましくは、酸化ジルコニウム(ZrO2)を含む。酸化混合物はガラス形成体および網目修飾体を含み、ガラス形成体と網目修飾体とのモル比は約0.8:1〜1.2:1の範囲である。ガラス形成体はSiO2を含み得る。網目修飾体は、MgO、CaO、SrO、BaO Na2O、K2OおよびLi2Oのうちの少なくとも1つを含み得る。
この発明は、概して、高温の応用例のための点火装置、たとえばスパークプラグ、点火器および他の火花発生装置に関する。図1を参照すると、概して金属シェル12、セラミック絶縁体14、中心ワイヤアセンブリ16および接地電極18を含み、内燃機関(図示せず)において用いるためのスパークプラグアセンブリ10を含む点火装置が示される。当該技術において一般に公知のとおり、シェル12はその軸方向の長さに沿って延在する中空のボア20を有する概して円筒形の導電性構成要素である。そのボア20の内部には、絶縁体14のうちの直径が狭くなった部分を支持するような大きさである一連の周囲の肩部がある。シェル12と同様に、絶縁体14はまた、細長い軸方向のボア22を備えた概して円筒形の構成要素である。絶縁体14の下方の軸端部は、概してシェル12の最下部から出て延在する先端部分24を含む。絶縁体の軸方向のボア22は、導電性の中心ワイヤアセンブリ16を受けるよう設計され、当該導電性の中心ワイヤアセンブリ16は、スパークプラグ10の軸方向の長さ全体にわたり、概して、一方の端部に端子電極30と、もう一方の端部に中心電極32とを含む。当然、ここに示される中心ワイヤアセンブリ16は典型的な実施例に過ぎず、付加的な構成要素を含み得るかまたは構成要素が省かれている。接地電極18は、シェル12の下方の軸端部に機械的かつ電気的に接続され、概してL字型の構成に形成される。中心電極32の露出された端部と接地電極18の側面とは互いに対向し、これにより、スパークプラグ10の点火端部36においてスパークギャップ34を規定する。
に点火して、エンジンに動力を供給するのに用いられる燃焼プロセスを開始させる。先の説明は、点火装置の構造および動作の概要として提供された。セラミック絶縁体14についてのさらなる詳細がこの発明に従って提供される。
れ、さらに、アルミナ粒子が酸化混合物マトリクスによって相互に連結されるように絶縁体を焼結するために約3時間にわたって摂氏1590〜1630度の温度で焼かれた。
電圧を上げた。破損時のピーク電圧が絶縁破壊電圧として報告された。テストの結果が以下の表3に示される。
態図を概略的に示す。図6の重ね合わせに用いられる状態図は、オハイオ州(Ohio)、コロンバス(Columbus)のアメリカセラミック協会(American Ceramics Society)から入手可能である。等高線図の左端の境界は平衡状態図の左端の境界を示し、この場合、CaOおよびSiO2の量は図示のとおりに変化し、MgOの量は0である。等高線図の右端の境界は約0.8のCaO対ROのモル比によって区切られ、この場合、網目修飾体の80%はCaOであり、網目修飾体の20%はMgOである。等高線図の下方の境界および上方の境界はSiO2対ROのモル比を示し、それぞれ0.8および1.2である。等高線図の線状の境界内では、一定のシャント抵抗の部分的に楕円形であるいくつかの等高帯域が示される。この帯域は、約3500メガオームから少なくとも7000メガオームまでの範囲である。こうして、この発明のセラミック材料組成により、華氏1000度で少なくとも1000メガオーム、最も好ましくは、華氏1000度で約7000メガオームまでのシャント抵抗を有するスパークプラグの製造が可能になることが、当該等高線図から明らかになる。
5重量%の量のジルコニア、および、約2.5〜約5.9重量%の量のガラス形成体と網目修飾体との酸化混合物を含有するセラミック材料を含み、当該ガラス形成体と網目修飾体とのモル比は約0.9:1〜1.1:1に等しく、このため、酸化混合物は以下のとおりモル式によって説明することができる。
Claims (59)
- セラミックであって、
約90〜約99重量%の量のアルミナと、
約0.01〜約1重量%の量のジルコニウム含有化合物と、
約1〜約10重量%の量の酸化混合物とを含み、
前記酸化混合物は、
ガラス形成体と、
網目修飾体とを含み、
前記ガラス形成体と前記網目修飾体とのモル比は約0.8:1〜1.2:1の範囲である、セラミック。 - 約94〜約97重量%の量の前記アルミナと、
約0.1〜約0.5重量%の量の前記ジルコニウム含有化合物と、
約2.5〜約5.9重量%の量の前記酸化混合物とを含み、
前記ガラス形成体と前記網目修飾体とのモル比は約0.9対1〜1.1対1に等しい、請求項1に記載のセラミック。 - 約95〜約96.5重量%の量の前記アルミナと、
約0.25〜約0.35重量%の量の前記ジルコニウム含有化合物と、
約3.15〜約4.75重量%の量の前記酸化混合物とを含み、前記網目修飾体は、MgO、CaO、SrO、BaO、Na2O、K2OおよびLi2Oのうちの少なくとも1つを含む、請求項2に記載のセラミック。 - 前記網目修飾体は、
約0.7〜0.9モル分率の量のCaOと、
約0.1〜0.3モル分率の量のMgOとを含む、請求項3に記載のセラミック。 - 前記網目修飾体は、
約0.8モル分率の量の前記CaOと、
約0.2モル分率の量の前記MgOとを含む、請求項4に記載のセラミック。 - 前記網目修飾体は、
約1.38〜約1.95重量%の量のCaOと、
約0.15〜約0.43重量%の量のMgOとを含み、
前記ガラス形成体は、約1.87〜約2.28重量%の量のSiO2を含む、請求項3に記載のセラミック。 - 約95.67重量%の量の前記アルミナと、
約0.31重量%の量の前記ジルコニウム含有化合物と、
約3.94重量%の量の前記酸化混合物とを含む、請求項6に記載のセラミック。 - 前記酸化混合物は、
約1.55重量%の量の前記CaOと、
約0.27重量%の量の前記MgOと、
約2.12重量%の量の前記SiO2とを含む、請求項7に記載のセラミック。 - 合計で約0.07〜0.30重量%の量である、Fe2O3、TiO2、P2O5およびK2Oのうちの少なくとも1つをさらに含む、請求項8に記載のセラミック。
- 約0.04〜0.20重量%までの量のFe2O3と、
約0.01〜0.05重量%までの量のTiO2と、
約0.01重量%までの量のP2O5と、
約0.01〜0.04重量%までの量のK2Oとを含む、請求項9に記載のセラミック。 - 約95.55重量%の量の前記アルミナと、
約0.31重量%の量のジルコニアを含む前記ジルコニウム含有化合物と、
約2.04重量%の量のCaOと、
約2.02重量%の量のSiO2とを含む、請求項3に記載のセラミック。 - 約0.01重量%までの量のK2Oと、
約0.02重量%までの量のTiO2と、
約0.01重量%までの量のP2O5と、
約0.03重量%までの量のFe2O3とをさらに含む、請求項11に記載のセラミック。 - 前記酸化混合物はカルシウムアルミノ珪酸塩ガラスを含み、
前記ジルコニウム含有化合物は、約0.05〜0.5%の量のZrO2である、請求項1に記載のセラミック。 - 前記カルシウムアルミノ珪酸塩ガラスは、
約40重量%までの量のアルミナと、
約10重量%までの量のMgOと、
約50〜約99重量%の量のCaOおよびSiO2の残余とを含む、請求項14に記載のセラミック。 - 前記SiO2は、約40〜約60重量%の前記CaOおよびSiO2の残余を含む、請求項15に記載のセラミック。
- 約95.84重量%の量の前記アルミナと、
約2.05重量%の量のCaOと、
約2.03重量%の量のSiO2とを含む、請求項3に記載のセラミック。 - 約0.01%までの量のK2Oと、
約0.02%までの量のTiO2と、
約0.01%までの量のP2O5と、
約0.03%までの量のFe2O3とをさらに含む、請求項17に記載のセラミック。 - スパークプラグであって、
中心電極と、
金属シェルと、
前記中心電極と前記金属シェルとの間に配置された絶縁体とを含み、
前記絶縁体は、
約90〜99重量%のアルミナと、
約0.01〜1重量%のジルコニウム含有化合物と、
約1〜10重量%の酸化混合物とを含み、前記酸化混合物は、
ガラス形成体と、
網目修飾体とを含み、
ガラス形成体と網目修飾体とのモル比は約0.8:1〜1.2:1の範囲である、スパークプラグ。 - 約94〜約97重量%の量の前記アルミナと、
約0.1〜約0.5重量%の量の前記ジルコニウム含有化合物と、
約2.5〜約5.9重量%の量の前記酸化混合物とを含み、
前記ガラス形成体と前記網目修飾体とのモル比は約0.9:1〜1.1:1に等しい、請求項19に記載のスパークプラグ。 - 約95〜約96.5重量%の量の前記アルミナと、
約0.25〜約0.35重量%の量の前記ジルコニウム含有化合物と、
約3.15〜約4.75重量%の量の前記酸化混合物とを含み、前記網目修飾体は、MgO、CaO、SrO、BaO、Na2O、K2OおよびLi2Oのうちの少なくとも1つを含む、請求項20に記載のスパークプラグ。 - 前記網目修飾体は、
約0.7〜0.9モル分率の量のCaOと、
約0.1〜0.3モル分率の量のMgOとを含む、請求項21に記載のスパークプラグ。 - 前記網目修飾体は、
約0.8モル分率の量の前記CaOと、
約0.2モル分率の量の前記MgOとを含む、請求項22に記載のスパークプラグ。 - 前記網目修飾体は、
約1.38〜約1.95重量%の量のCaOと、
約0.15〜約0.43重量%の量のMgOとを含み、
前記ガラス形成体は、約1.87〜約2.28重量%の量のSiO2を含む、請求項21に記載のスパークプラグ。 - 約95.67重量%の量の前記アルミナと、
約0.31重量%の量の前記ジルコニウム含有化合物と、
約3.94重量%の量の前記酸化混合物とを含む、請求項24に記載のスパークプラグ。 - 前記酸化混合物は、
約1.55重量%の量の前記CaOと、
約0.27重量%の量の前記MgOと、
約2.12重量%の量の前記SiO2とを含む、請求項25に記載のスパークプラグ。 - 合計で約0.07重量%の量である、Fe2O3、TiO2、P2O5およびK2Oのうちの少なくとも1つをさらに含む、請求項26に記載のスパークプラグ。
- 約0.04重量%までの量のFe2O3と、
約0.01重量%までの量のTiO2と、
約0.01重量%までの量のP2O5と、
約0.01重量%までの量のK2Oとを含む、請求項27に記載のスパークプラグ。 - 約95.55重量%の量の前記アルミナと、
約0.31重量%の量のジルコニアを含む前記ジルコニウム含有化合物と、
約2.04重量%の量のCaOと、
約2.02重量%の量のSiO2とを含む、請求項21に記載のスパークプラグ。 - 約0.01重量%までの量のK2Oと、
約0.02重量%までの量のTiO2と、
約0.01重量%までの量のP2O5と、
約0.03重量%までの量のFe2O3とをさらに含む、請求項29に記載のスパークプラグ。 - 前記酸化混合物はカルシウムアルミノ珪酸塩ガラスであり、
前記ジルコニウム含有化合物は、約0.05〜0.5%の量のZrO2である、請求項19に記載のスパークプラグ。 - 前記カルシウムアルミノ珪酸塩ガラスは、
約40重量%までの量のアルミナと、
約10重量%までの量のMgOと、
約50〜約99重量%の量のCaOおよびSiO2の残余とを含む、請求項32に記載のスパークプラグ。 - 前記SiO2は、約40〜約60重量%の前記CaOおよびSiO2の残余を含む、請求項33に記載のスパークプラグ。
- 約95.84重量%の量の前記アルミナと、
約2.05重量%の量のCaOと、
約2.03重量%の量のSiO2とを含む、請求項21に記載のスパークプラグ。 - 約0.01重量%までの量のK2Oと、
約0.02重量%までの量のTiO2と、
約0.01重量%までの量のP2O5と、
約0.03重量%までの量のFe2O3とをさらに含む、請求項35に記載のスパークプラグ。 - スパークプラグであって、
金属シェルと、
中心電極と、
前記金属シェルに配置され、中心ボアを有する絶縁体とを含み、前記中心電極が前記中心ボアに配置されており、前記絶縁体はアルミナを含み、華氏1000度で1000メガオームを上回るシャント抵抗を有する、スパークプラグ。 - 前記絶縁体は、
約90〜99重量%のアルミナと、
約0.01〜1重量%のジルコニウム含有化合物と、
約1〜10重量%の酸化混合物とを含み、前記酸化混合物は、
ガラス形成体と、
網目修飾体とを含み、
ガラス形成体と網目修飾体とのモル比は約0.8:1〜1.2:1の範囲である、請求項37に記載のスパークプラグ。 - 約94〜約97重量%の量の前記アルミナと、
約0.1〜約0.5重量%の量の前記ジルコニウム含有化合物と、
約2.5〜約5.9重量%の量の前記酸化混合物とを含み、
前記ガラス形成体と前記網目修飾体とのモル比は約0.9対1〜1.1対1に等しい、請求項38に記載のスパークプラグ。 - 約95〜約96.5重量%の量の前記アルミナと、
約0.25〜約0.35重量%の量の前記ジルコニウム含有化合物と、
約3.15〜約4.75重量%の量の前記酸化混合物とを含み、前記網目修飾体は、MgO、CaO、SrO、BaO、Na2O、K2OおよびLi2Oのうちの少なくとも1つを含む、請求項39に記載のスパークプラグ。 - 前記網目修飾体は、
約0.7〜0.9モル分率の量のCaOと、
約0.1〜0.3モル分率の量のMgOとを含む、請求項40に記載のスパークプラグ。 - 前記網目修飾体は、
約0.8モル分率の量の前記CaOと、
約0.2モル分率の量の前記MgOとを含む、請求項41に記載のスパークプラグ。 - 前記網目修飾体は、
約1.38〜約1.95重量%の量のCaOと、
約0.15〜約0.43重量%の量のMgOとを含み、
前記ガラス形成体は、約1.87〜約2.28重量%の量のSiO2を含む、請求項40に記載のスパークプラグ。 - 約95.67重量%の量の前記アルミナと、
約0.31重量%の量の前記ジルコニウム含有化合物と、
約3.94重量%の量の前記酸化混合物とを含む、請求項43に記載のスパークプラグ
。 - 前記酸化混合物は、
約1.55重量%の量の前記CaOと、
約0.27重量%の量の前記MgOと、
約2.12重量%の量の前記SiO2とを含む、請求項44に記載のスパークプラグ。 - 合計で約0.07重量%の量である、Fe2O3、TiO2、P2O5およびK2Oのうちの少なくとも1つをさらに含む、請求項45に記載のスパークプラグ。
- 約0.04重量%までの量のFe2O3と、
約0.01重量%までの量のTiO2と、
約0.01重量%までの量のP2O5と、
約0.01重量%までの量のK2Oとを含む、請求項46に記載のスパークプラグ。 - 約95.55重量%の量の前記アルミナと、
約0.31%の量のジルコニアを含む前記ジルコニウム含有化合物と、
約2.04重量%の量のCaOと、
約2.02重量%の量のSiO2とを含む、請求項40に記載のスパークプラグ。 - 約0.01重量%までの量のK2Oと、
約0.02重量%までの量のTiO2と、
約0.01重量%までの量のP2O5と、
約0.03重量%までの量のFe2O3とをさらに含む、請求項48に記載のスパークプラグ。 - 前記酸化混合物はカルシウムアルミノ珪酸塩ガラスであり、
前記ジルコニウム含有化合物は、約0.05〜0.5%の量のZrO2である、請求項38に記載のスパークプラグ。 - 前記カルシウムアルミノ珪酸塩ガラスは、
約40重量%までの量のアルミナと、
約10重量%までの量のMgOと、
約50〜約99重量%の量のCaOおよびSiO2の残余とを含む、請求項51に記載のスパークプラグ。 - 前記SiO2は、約40〜約60重量%の前記CaOおよびSiO2の残余を含む、請求項52に記載のスパークプラグ。
- 約95.84重量%の量の前記アルミナと、
約2.05重量%の量のCaOと、
約2.03重量%の量のSiO2とを含む、請求項40に記載のスパークプラグ。 - 約0.01%までの量のK2Oと、
約0.02%までの量のTiO2と、
約0.01%までの量のP2O5と、
約0.03%までの量のFe2O3とをさらに含む、請求項54に記載のスパークプラグ。 - 前記絶縁体は、華氏1000度で4ギガオームを上回るシャント抵抗を示す、請求項37に記載のスパークプラグ。
- 前記絶縁体は、華氏1000度で5ギガオームを上回るシャント抵抗を示す、請求項56に記載のスパークプラグ。
- 前記絶縁体は、華氏1000度で6ギガオームを上回るシャント抵抗を示す、請求項57に記載のスパークプラグ。
- 前記絶縁体は、華氏1000度で少なくとも7ギガオームのシャント抵抗を示す、請求項58に記載のスパークプラグ。
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