JP2011517045A - セラミックスパークプラグ絶縁体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

スパークイグニション装置のための絶縁体が開示されている。この絶縁体は、端子端部、点火端部、および長手方向のボア軸に沿って端子端部から点火端部まで延在する内側ボアを有する電気絶縁セラミックコア管と、第２の外面および第２のボアを有する電気絶縁セラミックコア先端部管とを含み、上記セラミックコア先端部管の第２の外面は、点火端部に近接したセラミックコア管のボアと入れ子状に係合し、セラミックコア管のボアに直接接着される。絶縁体はまた、同様に入れ子状になった、直接接着された肩部管をコア管の外面上に含んでいる場合もあれば、入れ子状になった、直接接着されたマスト管をコア管の外面上に含んでいる場合もある。セラミックは、アルミナベースのセラミックおよび他の好適なセラミック材料を含んでいてもよく、管は、同じセラミック組成物から作られる場合もあれば、異なるセラミック組成物から作られる場合もある。この発明はまた、焼結中に縮みを制御することによって、管が入れ子状の直接接着された絶縁体を製造する方法を含む。

Description

関連出願との相互参照
本願は、２００８年４月１０日に出願された仮特許出願番号第６１／０４３，７４６号の優先権を主張し、仮特許出願番号第６１／０４３，７４６号の開示全体は、ここに引用によって援用されており、それに依拠する。

発明の背景
発明の分野
本発明は、一般にセラミック絶縁体に関し、より特定的には、セラミックスパークプラグ絶縁体およびセラミックスパークプラグ絶縁体の製造方法に関する。

関連技術
図１に示されるように、従来のスパークプラグ１０は一般に、部分的に金属シェル１６内に配置され、かつ、端子端部１８に向かって金属シェルの上方に軸方向に延在するセラミック絶縁体１２を利用する。導電性端子２０は、端子端部１８において中心ボア２２内に配置されている。導電性端子２０は、中心ボア２２内に配置された導電性中心電極アセンブリ２４の一部である。反対側のまたは点火端部２６においては、中心電極２８が、絶縁体１２内に配置されており、シェル１６に配置された接地電極３２とともにスパークギャップ３４を規定する露出したスパーク面３０を有する。多種多様な端子の構成、電極アセンブリの構成、シェルの構成などに対応するために、絶縁体１２の多くの異なる構成が用いられる。しかしながら、図１および図２を参照して、絶縁体１２の特徴は、一般に、従来の今日のスパークプラグ絶縁体を代表している。

絶縁体１２はモノリシックセラミック品であり、通常、噴霧乾燥粉末からブランクをプレスして、その後、砥石車を用いてブランクから（縮みを可能にする）ネットに近い形状の絶縁体プリフォームを研削し、次いで、プリフォームの密度を高くして粉末粒子を焼結するのに十分に高い温度に絶縁体プリフォームを焼成して、完成した絶縁体を形成することによって作られる。絶縁体１２は、シェル１６の上方に延在するマスト部３６を有し、マスト部３６はスパークプラグブーツ（図示せず）を受けるように適合され、絶縁体がスパークプラグの取扱いおよび設置に関連する応力を受け得るので、マスト部３６は必要な機械的強度を絶縁体に与えるのに十分な壁の厚みを有する。マスト部３６は、示されるように端子スタッド３７を中心ボア２２内に収納しており、他の構成（図示せず）では中心電極アセンブリ２４の他の部分を収納してもよい。絶縁体１２はまた、燃焼ガスに関連する圧力が絶縁体１２および中心電極アセンブリ２４を外向きに押すのでエンジンの動作中に絶縁体１２を金属シェル１６内に保持するために折返し部４０とともに用いられる大肩部３８を含む。絶縁体１２はまた、シェルの捩じ切り部４３に近接した、金属シェル１６に配置された下方円筒部４２を有する。

下方円筒部４２は、示されるように３部分（導体／サプレッサ／導体）ガラス・ファイヤード・イン・サプレッサ・シール（glass fired in suppressor seal）（ＦＩＳＳ）４４を中心ボア２２内に収納しており、または他の構成では中心電極アセンブリ２４の別の部分を収納している。下方円筒部４２は、小肩部４５を通って、その下方部分上に配置された、先細りになったコア先端部４６に移行する。小肩部４５は、シェル１６における肩部４７と係合する働きをし、大肩部３８および折返し部４０（または、他のシェルの構成（図示せず）では、予め形成されたフランジもしくは肩部）とともに、絶縁体１２をシェル１６に保持する。先細りになったコア先端部４６は、スパーク面３０としてスパーク先端（図示せず）も含んでいてもよい中心電極２８を収納している。絶縁体１２は、内燃機関の高温動作環境に十分な高い絶縁耐力、高い機械的強度、高い熱伝導率、および耐熱衝撃性を有する。

内燃機関において用いられるスパークプラグ絶縁体は、約１，０００℃近辺の高温環境に晒される。動作時、約４０，０００ボルトまでのイグニション電圧パルスがスパークプラグを通して中心電極に印加され、それによってスパークが中心電極と接地電極との間の間隙を飛び越える。絶縁体の目的は、スパーク経路の完全性を確保し、電圧パルスが接地への他の経路を見つけることによってプラグのスパーク性能を低下させるのを防ぐことである。記載された高圧および高温環境は、既存の絶縁体材料の性能を劣化させる、または、これらの材料に関連する性能限界を強調する可能性がある。たとえば、プレスプロセスは、セラミックの絶縁耐力に悪影響を及ぼすことが知られている噴霧乾燥粉末の残存物を残す。なぜなら、プレスされたブランクの断面積が、絶縁体の形状に対応するためにその長さに沿って均一ではないためである。密度勾配が存在する場合があり、その結果、絶縁体のいくつかの領域は密度が低くなる（孔隙率が高くなる）。

再び図１を参照して、密度勾配および低密度領域は、しばしば、上述のプレス方法を用いて、大肩部領域３８の側部または小肩部４５に隣接した領域などの、絶縁体の断面厚みが変化する場所で生じる。これらの密度が減少した領域は、絶縁耐力がより低く、そのため絶縁破壊を受けやすい。別の例として、スパークプラグ絶縁体を形成するために用いられる研削プロセスは、プレスされたブランクから大量の材料を取り去る。この材料は通常、その後の噴霧乾燥粉末の群に再加工されるが、潜在的な汚染源でもある。このような汚染はまた、スパークプラグ絶縁体用に用いられるセラミック材料内に、絶縁耐力が減少したランダムな局部的な領域を生じさせる可能性がある。別の例として、絶縁体を形成するために用いられる研削プロセスはまた、焼結絶縁体上に比較的粗い表面仕上げを残し、これは通常、絶縁体の端子端部またはマストのグレージングを必要とし、燃焼プロセスによる堆積物が点火端部上に付着することを助長する。

さまざまな磁器および金属酸化物を含む多くの異なる材料が、セラミックスパークプラグ絶縁体において用いられ、または、セラミックスパークプラグ絶縁体での使用を提案されてきた。現在のところ、最も一般的に用いられている材料は、通常さまざまなガラスおよび他の合金化成分も組入れるアルミナベースのセラミック材料である。セラミックスパークプラグ絶縁体として用いるのに好適なアルミナベースのセラミック材料の例は、米国特許第４，８７９，２６０号（マニング（Manning））および米国特許第７，１６９，７２３号（ウォーカー（Walker））に記載されている材料を含む。絶縁体用に用いられるセラミック材料は誘電材料である。材料の絶縁耐力は一般に、材料の破壊または電気絶縁破壊を引起すことなく材料に印加できる最大電界として規定される。スパークプラグ絶縁体の絶縁耐力は一般に、ボルト・パー・ミル（Ｖ／ｍｉｌ）で測定される。多くの用途で用いられる標準的なスパークプラグの構成のためのスパークプラグＲＭＳ絶縁耐力の典型的な値は、室温でおよそ約４００Ｖ／ｍｉｌである。スパークプラグにおいて用いられる絶縁体の絶縁耐力は、温度の関数でもある。高温は特定のイオンの移動度を上昇させ、電流がセラミックを通って漏れやすくなることを可能にする。如何なる電流の漏れも局部加熱を招き、この局部加熱は、絶縁破壊に対する材料の耐性を次第に劣化させる。電界が印加された状態でのスパークプラグ循環時の熱応力のために、および、その付随する熱−電気疲労のために、絶縁破壊に対する絶縁体の耐性もスパークプラグの耐用期間の間に減少する傾向があることが観察された。微細構造の変化および／または組成変化の厳密な性質については完全には理解されていないが、セラミック材料の部分溶融を引起すのに十分な温度への局部加熱に関連していると考えられている。

製造者が内燃機関を複雑化し続け、内燃機関の大きさを小さくし続けるので、直径がより小さなスパークプラグ絶縁体が必要である。現在のところ、プラグの耐用期間中の絶縁体の必要絶縁耐力に起因して、絶縁体の壁に必要とされる厚みに直接関連する小型化は制約される。小型化を制限する別の要因は、１００，０００マイル、１５０，０００マイルおよび１７５，０００マイルの耐用期間をスパークプラグに要求するなど、より長い耐用期間をスパークプラグに要求する製造者が多くなっていることである。所望の耐用期間が長くなればなるほど、必要な絶縁耐力は高くなる。また、必要な電圧が高くなればなるほど、必要な絶縁耐力は高くなる。以前は、スパークプラグの耐用期間または絶縁耐力を上げるために、絶縁体の壁の厚みを厚くしていた。しかしながら、現在では今日のエンジンのためによりコンパクトなスパークプラグが求められることにより、壁の厚みが厚い絶縁体の使用は避けられるまたは制限される。したがって、エンジンの大きさが縮小し、かつ、スパークプラグにおいてより長い耐用期間およびより高い電圧が必要であるので、絶縁耐力が上昇した、壁の厚みおよび大きさが減少した絶縁体を有するスパークプラグが必要である。

したがって、所与の大きさおよび壁の厚みを有するスパークプラグ絶縁体では、向上したスパークプラグ、したがってエンジンの性能を高めるために、高圧および高動作温度で長期間の使用中に、絶縁耐力を上昇させ、それによって絶縁破壊の影響の受けやすさを減少させることが望ましいであろう。代替的に、所与の性能要件では、絶縁体材料の絶縁耐力を上昇させ、それによって絶縁体材料の大きさおよび壁の厚みの減少を促進し、それによってスパークプラグに関連する空間エンベロープ（space envelope）を減少させ、他の目的でこの空間を用いることを可能にすることが望ましいであろう。

発明の概要
高純度のアルミナは、ＲＭＳ絶縁耐力が４７５Ｖ／ｍｉｌであるという並外れた電気特性を有することがわかった。これは、従来のスパークプラグ絶縁体用に用いられるアルミナと比べて約２０％の改善である。しかしながら、高純度のアルミナは加工が困難であり、従来のスパークプラグ絶縁体用に用いられる製造技術では十分ではない場合がある。たとえば、従来の形成技術は、噴霧乾燥粉末からブランクをプレスし、その後、砥石車を用いて絶縁体の輪郭を研削してブランクにし、次いで、焼結によって密度を高くするために絶縁体を高温に焼成するというものである。プレスプロセスは、セラミックの絶縁耐力に悪影響を及ぼすことが知られている噴霧乾燥粉末の残存物を残す。絶縁体の形状に対応するために、プレスされたブランクの断面積が均一ではないので、密度勾配が存在する場合があり、その結果、絶縁体のいくつかの領域は、密度が低く、絶縁破損を受けやすい。研削プロセスは、大量の材料を取り去る。この材料は通常、その後の噴霧乾燥粉末の群に再加工されるが、潜在的な汚染源である。研削プロセスはまた、絶縁体上に相当に粗い表面を残し、これは、端子端部のグレージングを必要とし、燃焼プロセスによる堆積物が点火端部上に付着することを助長する。本発明は、焼成前には２つ以上あり焼成プロセス中に永久的に接合されるおよそ円筒形の構成要素のアセンブリによって形成されるスパークプラグ絶縁体である。

スパークプラグ絶縁体を形成するために組立てられる構成要素は、セラミックにおいて用いられる、一般的に用いられているプロセスのいずれかによって作られることができる。押出成形は、本発明において用いられる円筒形の構成要素のタイプを形成する非常に効率的な方法である。押出成形部品は、容易に形成され、乾式プレス絶縁体に見られるような圧縮された粒状材料からの残存構造を持たない。押出成形はまた、密度が非常に均一な部品を生み出す。最も高い絶縁耐力を有すると測定されたアルミナセラミック部品のうちのいくつかは、押出成形によって形成された。押出成形部品は、無駄がほとんどない状態で内径および外径に関する公差に近づけるように形成される。互いに入れ子になった２つ以上の押出成形管のアセンブリによってスパークプラグ絶縁体を組立てることによって、スパークプラグ絶縁体の形状を得ることができる。個々の押出成形された構成要素の密度を制御することによって、押出成形された構成要素は、接合箇所が強くかつ気密性であるような態様で焼成中に縮むように作られることができる。

先行技術に係るスパークプラグの単純化された断面図である。 図１に示されるスパークプラグの絶縁体部分の断面図である。 本発明の第１の実施例に係るスパークプラグのための組立てられた絶縁体部分の断面図である。 この発明に従って組立てられたスパークプラグ絶縁体の代替的な実施例の断面図である。 この発明のさらに別の代替的な実施例に係るスパークプラグの組立図である。 この発明のさらなる実施例に係る絶縁体の断面図である。 図３に示されるものと同様のスパークプラグ絶縁体の組立および形成を順に示す。 図３に示されるものと同様のスパークプラグ絶縁体の組立および形成を順に示す。 図３に示されるものと同様のスパークプラグ絶縁体の組立および形成を順に示す。 図４に示されるものと同様のスパークプラグ絶縁体の組立および形成を順に示す。 図４に示されるものと同様のスパークプラグ絶縁体の組立および形成を順に示す。 図４に示されるものと同様のスパークプラグ絶縁体の組立および形成を順に示す。 図５に示されるものと同様のスパークプラグ絶縁体の組立および形成を順に示す。 図５に示されるものと同様のスパークプラグ絶縁体の組立および形成を順に示す。 図５に示されるものと同様のスパークプラグ絶縁体の組立および形成を順に示す。 図６に示されるものと同様のスパークプラグ絶縁体の組立および形成を順に示す。 図６に示されるものと同様のスパークプラグ絶縁体の組立および形成を順に示す。 図６に示されるものと同様のスパークプラグ絶縁体の組立および形成を順に示す。 接着されたマスト管を含むこの発明の別の代替的な実施例の断面図である。 外側表面のさまざまな領域に施された絶縁コーティングおよび伝導性コーティングを含む図３のスパークプラグ絶縁体の断面図である。

好ましい実施例の詳細な説明
図３〜図１０を参照して、本発明は、複数のセラミック管１１０を含むセラミックスパークプラグ絶縁体１００であり、複数のセラミック管１１０は、入れ子状に係合し、かつ、未焼結のセラミックプリフォーム管２１０を焼結することによって互いに直接接着されて、セラミックスパークプラグ絶縁体１００を形成する。未焼結のセラミックプリフォーム管２１０および結果として生じるセラミック管１１０は、入れ子状の係合を得てそれを維持するのに好都合であるおよそ円筒形の形状を含む任意の好適な形状を有していてもよく、多種多様な従来のスパークプラグ絶縁体のものを含む任意の好適な外径１１２または外側寸法を利用してもよい。しかしながら、本発明は特に、Ｍ１２、Ｍ１０およびそれよりも小さなねじの大きさを有するスパークプラグなどの小径スパークプラグとともに用いられる絶縁体としてよく適合される。これは、この発明のセラミック絶縁体１００が、モノリシックセラミック絶縁体のために得られたものよりも比較的高い密度または高い絶縁耐力またはそれら両方を得る材料およびプロセスを用いて製作されてもよいという事実に関連した、本明細書に記載される理由のためである。さらに、セラミック管１１０は、ボアプリフォーム２１４として形成されたボア１１４を未焼結のセラミックプリフォーム管２１０に組入れてもよい。ボア１１４は、セラミック管１１０の長手方向の中心軸１１１と一致し得る長手方向のボア軸１１５に沿って延在していてもよい。複数のボア１１４が利用される場合には、複数のボア軸１１５が管軸１１１と一致している場合もあれば、一致していない場合もある。ボア１１４は、記載の態様で、任意のタイプの中心電極アセンブリ（図示せず）を収納するのに好適な任意の直径または大きさに形成されてもよい。たとえば、入れ子状のセラミック管１１０内でボア１１４の大きさを適切に決めることによって、肩部１１６または複数の肩部１１６が、中心電極、ＦＩＳＳ、ばね、抵抗器カプセル、インダクタ、端子スタッド、端子などの中心電極アセンブリ（図示せず）の構成要素と係合する、構成要素を保持するまたは収納するように組入れられてもよい。さらに、焼結するとボア１１４内にこれらの特徴を与えるさらなる肩部、先細り部、導入部または他の特徴を形成するために、研削などの形成プロセスによって１つ以上のカウンタボア（図示せず）がボアプリフォーム２１４内に形成されてもよい。未焼結のセラミックプリフォーム管２１０はまた、焼結すると面取り部１１８、半径１２０、先細り部１２２、溝（図示せず）、または他の特徴を与えるさまざまな面取り部２１８、半径２２０、先細り部２２２、溝（図示せず）、または他の特徴の形態の緩和部を提供するように、それぞれの端部または外面上に研削または形成されてもよい。

図３〜図６を参照して、セラミックスパークプラグ絶縁体１００は、コア管１３０を含む。一般的にいえば、コア管１３０は、電気絶縁セラミック管１１０であり、図３〜図６に示されるように、大多数の他のセラミック管１１０と入れ子状に係合し、大多数の他のセラミック管１１０に直接接着される。これは要素の一般的配置であるが、この発明はそのように限定されない。なぜなら、コア管１３０を組入れることなく入れ子状に係合しかつ直接接着される、本明細書に記載されるセラミック管の他の配置が可能であり得るためである。コア管１３０は、スパークプラグ端子を収納する働きをする端子端部１３６と、端子端部の反対側にあり、シリンダヘッドに近接した向きになる働きをする点火端部１３７とを有する。端子端部および点火端部という用語は、コア管１３０に対する向きを説明するためにさまざまなセラミック管および管プリフォームに関して本明細書全体を通して用いられる。コア管１３０は、スパークプラグが組入れられるべきスパークプラグのねじの大きさおよびシェルの構成、必要な絶縁耐力、機械的強度、熱伝達、および用いられるセラミック材料、ならびに他の要因を含む多くの要因によって決定された長さ、外径、ボア径、したがって壁または管の厚みを有することになる。非限定的に、コア管１３０の長さは約０．５０〜３．００インチの範囲内でさまざまであってもよく、直径は０．２５〜０．５０インチの範囲内でさまざまであってもよく、壁の厚みは多くの適用例では約０．０５０〜０．１００インチの範囲であってもよいと考えられている。しかしながら、これらの範囲から外れた適用例も可能であり、この発明の範囲内である。

再び図３〜図６を参照して、コア管１３０は、コア先端部管１４０と入れ子状に係合し、コア先端部管１４０に直接接着される。入れ子状の係合を与える重なり部１３２および直接接着部１３４は、これらの管の間に気密シールを形成する。特定の絶縁体１００の構成の重なり部１３２の長さは、封止、接合強度、熱伝達、電極アセンブリの材料および構成、ならびにコア先端部管１４０の直径などの、特定の絶縁体およびスパークプラグの構成のためのこれらの管の間の接合箇所に関連する他の検討事項および要件に依存する。重なり部が約０．２５インチ以上であれば多くの絶縁体１２の構成に対して十分な重なり部が提供されると考えられている。直接的な接着とは、重なり部１３２においてコア先端部管１４０の外面とコア管１３０のボア１１４との間の界面に密接な接触が存在するように、ガラスまたは上薬などの中間層を導入することなく、焼結プロセスのみによって接着部１３４が生じることを意味する。焼結プロセスは、この界面において何らかの化学結合を発生させると考えられており、結合の度合いは、焼結時間および温度、ならびに界面における汚染の存在、重なり部１３２における部品の表面仕上げ、それぞれのプリフォームの壁の厚みおよび密度などの他の要因に依存する。コア先端部管１４０は、スパークプラグが組入れられるべきスパークプラグのねじの大きさおよびシェルの構成、必要な絶縁耐力、機械的強度、熱伝達、および用いられるセラミック材料、およびコア管１３０の同様の特徴、ならびに他の要因を含む多くの要因によって決定された長さ、外径、ボア径、したがって壁または管の厚みを有することになる。非限定的に、コア先端部管１４０の長さは約０．２５〜１．２５インチの範囲内でさまざまであってもよく、直径は０．２０〜０．２６インチの範囲内でさまざまであってもよく、壁の厚みは多くの適用例では約０．０５０〜０．１００インチの範囲であってもよいと考えられている。しかしながら、これらの範囲から外れた適用例も可能であり、この発明の範囲内である。

図３〜図５を参照して、絶縁体１００はまた、コア管１３０の外面に沿って、一般にコア管１３０の中央部分に位置する肩部管１５０を含んでいてもよい。コア管１３０は、肩部管１５０と入れ子状に係合し、肩部管１５０に直接接着される。入れ子状の係合を与える重なり部１５２および直接接着部１５４は、これらの管の間に気密シールを形成する。コア管１３０とコア先端部管１４０との間の接合箇所に関する検討事項と同様に、特定の絶縁体１００の構成の重なり部１５２の長さは、封止、接合強度、熱伝達、シェルの材料および構成、ならびに肩部管１５０がシェルに絶縁体１００を保持するための手段としての折返し部と係合する従来のシェルにおいて肩部管１５０が絶縁体の大肩部として機能する場合にはせん断強度要件などの、特定の絶縁体およびスパークプラグの構成のためのこれらの管の間の接合箇所に関連する他の検討事項および要件に依存する。重なり部１５２が約０．１２５インチ以上であれば多くの絶縁体１２の構成に対して十分な重なり部１５２が提供されると考えられている。直接的な接着は、前に記載した接着部１５４と同じ意味を有するが、結合の度合いは、それぞれの接合箇所に関連する上述の要因の違いのために、接着部１３４の結合の度合いとは異なっていてもよい。肩部管１５０は、スパークプラグが組入れられるべきスパークプラグのねじの大きさおよびシェルの構成、必要な絶縁耐力、機械的強度、熱伝達、および用いられるセラミック材料、およびコア管１３０の同様の特徴、ならびに他の要因を含む多くの要因によって決定された長さ、外径、ボア径、したがって壁または管の厚みを有することになる。非限定的に、肩部管１５０の長さは約０．１２５〜０．７５０インチの範囲内でさまざまであってもよく、直径は０．３５０〜０．５５０インチの範囲内でさまざまであってもよく、壁の厚みは多くの適用例では約０．０４０〜０．１００インチの範囲であってもよいと考えられている。しかしながら、これらの範囲から外れた適用例も可能であり、この発明の範囲内である。

図１１を参照して、マスト管１６０も図３〜図６に示される絶縁体１００の例のいずれかに適用されてもよい。しかしながら、図１１は、図３に示される構成にマスト管１６０を追加したことを示している。マスト管１６０は、より大きな機械的強度を与えるために絶縁体１００のマスト部１６１の壁の厚みを厚くするため、または、他の検討事項のために用いられてもよい。マスト管１６０は、コア管１３０の外面に沿って、一般にコア管１３０の外面の上方部分に位置する。マスト管１６０は、示されるようにコア管１３０の端子端部１３６と同一の広がりを持つ場合もあれば、端子端部１３６を超えて延在するかまたは端子端部１３６の下で終端する場合もある（図示せず）。コア管１３０は、マスト管１６０と入れ子状に係合し、マスト管１６０に直接接着される。入れ子状の係合を与える重なり部１６２および直接接着部１６４は、これらの管の間に気密シールを形成する。コア管１３０とコア先端部管１４０との間の接合箇所に関する検討事項と同様に、特定の絶縁体１００の構成の重なり部１６２の長さは、機械的強度、熱伝達、端子の形状および構成、ならびに絶縁体１００のこの部分の曲げ強度要件などの、特定の絶縁体およびスパークプラグの構成のためのこれらの管の間の接合箇所に関連する他の検討事項および要件に依存する。重なり部１６２は一般に、絶縁体１００のマスト部の長さによって異なると考えられている。直接的な接着は、前に記載した接着部１６４と同じ意味を有するが、結合の度合いは、それぞれの接合箇所に関連する上述の要因の違いのために、接着部１３４の結合の度合いとは異なっていてもよい。マスト管１６０は、スパークプラグが組入れられるべきスパークプラグのねじの大きさおよびシェルの構成、必要な絶縁耐力、機械的強度、熱伝達、および用いられるセラミック材料、およびコア管１３０の同様の特徴、ならびに他の要因を含む多くの要因によって決定された長さ、外径、ボア径、したがって壁または管の厚みを有することになる。非限定的に、マスト管１６０の長さは０．５〜２．０インチの範囲内でさまざまであってもよく、直径は０．３５０〜０．５００インチの範囲内でさまざまであってもよく、壁の厚みは多くの適用例では約０．０５０〜０．１５０インチの範囲であってもよいと考えられている。しかしながら、これらの範囲から外れた適用例も可能であり、この発明の範囲内である。

セラミック管１１０は、たとえば引用によって全文が本明細書に援用される米国特許第４，８７９，２６０号（マニング）および米国特許第７，１６９，７２３号（ウォーカー）に記載されるアルミナベースのセラミック材料などの、スパークプラグ絶縁体として用いられる任意の従来のセラミック材料を含む任意の好適な電気絶縁セラミック材料から作られてもよい。しかしながら、さらに、未焼結のセラミックプリフォーム２１０を形成するために用いられてもよい方法は、アルミナの重量％が９８．５重量％よりも多いアルミナベースのセラミック組成物などの、従来のスパークプラグ絶縁体では利用されないセラミック材料を利用できるようにする。これらの高純度のアルミナ組成物は、４７５Ｖ／ｍｉｌまでのＲＭＳ絶縁耐力を有し、これは、従来のアルミナベースのセラミック組成物と比べて約２０％の改善である。本発明はまた、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウムなどのさまざまな金属窒化物および金属酸窒化物、アルミナおよび窒化アルミニウムのさまざまな固溶体、ならびに高純度多結晶アルミナを含む絶縁体１００のための新たなセラミック材料を使用できるようにし得る。これらの材料のうちのいくつかは、高温機械的強度、絶縁耐力、衝撃強度、熱伝導率、および耐熱衝撃性を含む必要な絶縁体の特性のうちの１つ以上の特性を有することが知られており、従来のアルミナベースのセラミック組成物の特性よりも優れているが、本明細書に記載されたスパークプラグ絶縁体などのスパークプラグ絶縁体を形成するために用いられる従来の製造機器および方法を用いた加工には好適ではなく、したがって、この目的では用いられず、または、材料の使用量、無駄、および従来の絶縁体の構成に関連する他の製造上の検討事項のために高価すぎると考えられる。同様に、これらのセラミック組成物のうちのいくつかはまた、本発明の新たな絶縁体の構成の実現を可能にするまたは実現に有利であるのに十分な必要な特性を提供し得ると考えられている。新たな絶縁体の構成とは、マスト部（上記および図１１のマスト部１６１参照）の壁の厚みが一般に下方部分よりも厚い従来の構成とは対照的に、長さに沿って壁の厚みが実質的に均一なコア管が用いられる図６に示されるものなどである。

本発明はまた、セラミック絶縁体１００のために２つ以上のセラミック組成物を使用できるようにする。たとえば、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、アルミナおよび窒化アルミニウムのさまざまな固溶体、ならびに高純度多結晶アルミナなどのアルミナよりも熱伝導率が高いセラミックが、アルミナまたは上述の群の部材の任意の組合せとともに利用されてもよい。

図１２を参照して、絶縁コーティング１３８も、図３〜図６および図１１に示される絶縁体１００の例のいずれかに施されてもよい。しかしながら、図１２は、図３に示される構成に絶縁コーティングを追加したことを示している。絶縁コーティング１３８は、外面、ボアまたはそれぞれの端部のすべてまたは任意の部分を含む絶縁体１００の表面のすべてまたは任意の部分に施されてもよい。一例として、絶縁コーティング１３８は、絶縁体１００が組入れられるスパークプラグの、動作中のフラッシュオーバーに対する耐性を上げるためにマスト部１６１に施されてもよい。さまざまな上薬、ガラス、シリコーンなどを含む任意の好適な絶縁コーティングが用いられてもよい。

再び図１２を参照して、電気および／または熱伝導性コーティング１３９も、図３〜図６および図１１に示される絶縁体１００の例のいずれかに施されてもよい。しかしながら、図１２は、図３に示される構成に伝導性コーティング１３９を追加したことを示している。伝導性コーティング１３９は、外面、ボアまたはそれぞれの端部のすべてまたは任意の部分を含む絶縁体１００の表面のすべてまたは任意の部分に施されてもよい。一例として、伝導性コーティング１３９は、外面の熱伝導率を上げ、絶縁体１００からスパークプラグシェルに熱を移動させ、次いで、その熱をスパークプラグの動作中にシリンダヘッドに移動させることができる能力を向上させるために、大肩部領域１６３および下方部分１６５に施されてもよい。さまざまな純金属および金属合金および導電性セラミック材料のコーティングを含む任意の好適な伝導性コーティングが用いられてもよい。

図７〜図１０を参照して、スパークプラグ絶縁体の製造方法が複数のステップとして示され、この複数のステップは、端子端部２３６、反対側のまたは点火端部２３７、および内側ボアプリフォーム２１４を有する未焼結のセラミックコア管プリフォーム２３０を形成するステップと、未焼結のセラミックコア先端部管プリフォーム２４０を形成するステップと、コア先端部管２４０プリフォームとコア管プリフォーム２３０との間に重なり部を形成するために、コア管プリフォーム２３０の点火端部２３７内でコア先端部管２４０プリフォームを入れ子にするステップと、焼結スパークプラグ絶縁体本体を形成するために、コア管プリフォーム２３０およびコア先端部管プリフォーム２４０を焼結して、重なり部においてコア管プリフォーム２３０とコア先端部管プリフォーム２４０との直接接着部を形成するのに十分な温度でかつ十分な時間にわたって、コア管プリフォーム２３０およびコア先端部管プリフォーム２４０を焼成するステップとを含む。形成するステップは、セラミック粉末の乾式プレスまたは押出成形を含む、未焼結のセラミックプリフォームを形成するための任意の好適な方法を用いて、管プリフォームのいずれかに対してなされてもよい。入れ子にするステップは、１つの管を別の管に挿入することを含む。嵌め合わせ部は通常、示されるように嵌め合わせ部を重ねることができるように大きさを決められるが、これは、触れ合った接触の確立またはごくわずかな干渉の作成を含んでいてもよい。

押出成形に用いられるセラミック組成物は通常、セラミック粒子、水、および少量のメチルセルロースなどの一時的な有機接着剤材料を含むペーストである。押出成形は、スパークプラグ絶縁体を作るために適切な長さのセクションに切断しなければならない連続的な管を形成する。押出成形された管が柔らかく、変形可能であり得るので、押出成形された管を所望の長さに切断して入れ子にする前に乾式プロセスによって水を除去することが望ましいであろう。管プリフォームはまた、入れ子にする前に、最終焼結温度よりも低い温度に焼成されてもよい。当然のことながら、すべての管を同じ完成度合いに焼成する必要はない。たとえば、１つ以上の管を最終焼結温度にまたは最終焼結温度に非常に近い温度に焼成することが好ましいであろう。これは、コア先端部管が、たとえばアルミナ、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムまたは窒化シリコンなどの、所望の最終密度を達成するためにより高い焼結温度を必要とする異なる材料組成物である場合には、特に有用であり得る。

本明細書に記載されるすべてのプリフォーム管のための未焼結のセラミックプリフォームは、一般に、対象の特定のセラミック材料の理論上の完全密度の約５０〜６５％の範囲内である相対密度に形成され、より好ましい範囲は、理論密度の約５５〜６５％であると考えられている。入れ子状になったまたは重なっている部分において嵌め合わせ面として生じる入れ子状の未焼結のセラミック管の直接的な接着は、焼結プロセス中、密接な接触状態に維持される。極限では、この密接な接触は、界面における比較的小さな圧縮接触力または接触圧力との触れ合い接触を構成し得る。しかしながら、入れ子状の未焼結のセラミックは、入れ子状の管が縮むときに、界面における接触圧力を増大させる傾向があるフープ応力を生じさせるように選択および焼成されることが好ましく、それによって、密接な接触を確保し、界面におけるセラミックのある程度の化学結合を容易にする。

焼結中、管の孔隙率が減少するので管は縮み、管における材料の密度が増大する。この縮みを決定する要因は、未焼結のセラミック管の幾何学的形態（すなわち、直径および壁の厚み）、材料組成および密度を含む。所望の圧縮力を与えるために、管単独の幾何学的形態もしくは材料選択のいずれか一方、またはそれら両方の制御が用いられてもよい。望ましい圧縮力は、単独でまたはこれらの他の要因とともに、未焼結のセラミック管プリフォームの相対密度を選択および制御することによって確立されてもよい。所与の大きさを有する、同じ焼結条件を用いるプリフォームの場合、相対密度が低くなれば、焼結管における縮みが大きくなる。したがって、所望の圧縮力を生じさせるためには、所与の入れ子状の結合の場合、密度の低い未焼結のセラミック管が最も外側の管であり、密度の高い管が最も内側の管であることが望ましい。さらに、同一の未焼結のセラミック材料の所与の結合の場合には、相対密度差が約１〜５％の範囲内であることが望ましい。異なる縮み特性を有する異なる材料、または、縮みの検討事項に影響を及ぼす幾何学的形態差を有する異なる材料が結合に用いられる場合、この範囲は他の要因の影響を説明するために調整されてもよい。

この方法はまた、上述の材料を用いて焼結された後、スパークプラグ絶縁体本体の外面に絶縁コーティングを施し、その後、絶縁コーティングを絶縁体の外面に接着させるのに十分な温度でかつ十分な時間にわたって、絶縁コーティングを加熱するステップを含んでいてもよい。

この方法はまた、未焼結のセラミック肩部管プリフォームを形成するステップを含んでいてもよく、入れ子にするステップはまた、第２の重なり部においてセラミックコア管の外面上でセラミック肩部管プリフォームを入れ子にすることを含み、焼成するステップはまた、セラミック肩部管プリフォームを焼結し、第２の重なり部においてセラミック肩部管プリフォームをセラミックコア管プリフォームに直接接着させる。同様に、この方法はまた、未焼結のセラミックマスト管プリフォームを形成するステップを含んでいてもよく、入れ子にするステップはまた、第３の重なり部においてセラミックコア管の外面上でセラミックマスト管プリフォームを入れ子にすることを含み、加熱するステップはまた、セラミックマスト管プリフォームを焼結し、第３の重なり部においてセラミックマスト管プリフォームをセラミックコア管プリフォームに直接接着させる。

図３〜図６および図１１は、この発明に係る可能なスパークプラグ絶縁体１００の構成のほんの一部を示しているにすぎない。大きさ、形状、壁の厚みおよび他の特徴の点で多くの従来のモノリシックスパークプラグ絶縁体と類似の構成、ならびに多種多様な新たな大きさ、形状および絶縁体１００の構成を含む多くの他の構成が可能であることが容易に理解される。

前述の発明は関連のある法的基準に従って説明されており、したがって、この説明は本質的に限定的ではなく例示的である。開示された実施例に対する変更および変形は、当業者にとって明らかになり得て、この発明の範囲内に含まれ得る。したがって、この発明に与えられる法的保護の範囲は、以下の特許請求の範囲を検討することによってのみ決定されることができる。

Claims (21)

1. スパークイグニション装置のための絶縁体であって、
   端子端部、点火端部、および長手方向のボア軸に沿って前記端子端部から前記点火端部まで延在する内側ボアを有する電気絶縁セラミックコア管と、
   第２の外面および第２のボアを有する電気絶縁セラミックコア先端部管とを備え、前記セラミックコア先端部管の前記第２の外面は、前記点火端部に近接した前記セラミックコア管の前記ボアと入れ子状に係合し、前記セラミックコア管の前記ボアに直接接着される、絶縁体。
2. 前記セラミックコア管は、前記長手方向のボア軸に沿って前記端子端部から前記点火端部まで実質的に一定の密度を有する、請求項１に記載の絶縁体。
3. 前記絶縁体は、前記端子端部から前記点火端部まで実質的に同じ表面粗さを有する外面を有する、請求項１に記載の絶縁体。
4. 前記絶縁体は、前記端子端部から前記点火端部まで変化する表面粗さを有する外面を有する、請求項１に記載の絶縁体。
5. 前記外面の上方部分上に位置する絶縁コーティングをさらに備える、請求項１に記載の絶縁体。
6. 前記外面の下方部分上に位置する絶縁コーティングをさらに備える、請求項１に記載の絶縁体。
7. 前記セラミック管は、任意の組合せで前記端子端部または前記点火端部上に緩和部分を有する、請求項１に記載の絶縁体。
8. 前記緩和部分は、任意の組合せで前記外面上または前記ボア内に位置する、請求項７に記載の絶縁体。
9. 前記ボアは、複数の直径を有する、請求項１に記載の絶縁体。
10. 複数の直径は、前記端子端部から前記点火端部まで徐々に減少する、請求項９に記載の絶縁体。
11. 前記セラミックコア管および前記コア先端部管は、セラミック材料の異なる組成物から成る、請求項１に記載の絶縁体。
12. 前記コア先端部管は、前記セラミックコア管の最終密度とは異なる最終密度を有する、請求項１１に記載の絶縁体。
13. 内側ボアを有する電気絶縁セラミック肩部管をさらに備え、前記内側ボアは、前記セラミックコア管の前記外面と入れ子状に係合し、前記セラミックコア管の前記外面に直接接着される、請求項１に記載の絶縁体。
14. 第３の外面および第３のボアを有するセラミックマスト管をさらに備え、前記セラミックマスト管の前記第３のボアは、前記端子端部に近接した前記コア管の前記外面と入れ子状に係合し、前記コア管の前記外面に直接接着される、請求項１に記載の絶縁体。
15. スパークプラグ絶縁体の製造方法であって、
    端子端部、点火端部および内側ボアプリフォームを有する未焼結のセラミックコア管プリフォームを形成するステップと、
    未焼結のセラミックコア先端部管プリフォームを形成するステップと、
    コア先端部管プリフォームとコア管プリフォームとの間に重なり部を形成するために、コア管プリフォームの点火端部内でコア先端部管プリフォームを入れ子にするステップと、
    焼結スパークプラグ絶縁体本体を形成するために、コア管プリフォームおよびコア先端部管プリフォームを焼結し、重なり部においてコア管プリフォームとコア先端部管プリフォームとの直接接着部を形成するのに十分な温度でかつ十分な時間にわたって、コア管プリフォームおよびコア先端部管プリフォームを焼成するステップとを備える、方法。
16. 未焼結のセラミックコア管プリフォームは相対密度を有し、未焼結のセラミックコア先端部管プリフォームは、未焼結のセラミックコア管プリフォームの相対密度よりも大きな相対密度を有する、請求項１５に記載の方法。
17. 未焼結のセラミックコア管プリフォームおよび未焼結のセラミックコア先端部管プリフォームの相対密度は、５０〜６５％の範囲内である、請求項１６に記載の方法。
18. 未焼結のセラミックコア先端部管プリフォームと未焼結のセラミックコア管プリフォームとの相対密度の差は、約１〜５％である、請求項１６に記載の方法。
19. 前記スパークプラグ絶縁体本体の外面に絶縁コーティングを施すステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
20. 未焼結のセラミック肩部管プリフォームを形成するステップをさらに備え、前記入れ子にするステップはまた、第２の重なり部においてセラミックコア管の外面上でセラミック肩部管プリフォームを入れ子にすることを含み、前記焼成するステップはまた、セラミック肩部管プリフォームを焼結し、第２の重なり部においてセラミック肩部管プリフォームをセラミックコア管プリフォームに直接接着させる、請求項１５に記載の方法。
21. 未焼結のセラミックマスト管プリフォームを形成するステップをさらに備え、前記入れ子にするステップはまた、第３の重なり部においてセラミックコア管の外面上でセラミックマスト管プリフォームを入れ子にすることを含み、前記焼成するステップはまた、セラミックマスト管プリフォームを焼結し、第３の重なり部においてセラミックマスト管プリフォームをセラミックコア管プリフォームに直接接着させる、請求項１５に記載の方法。

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