JP2013529355A - スパークプラグ絶縁体のためのアルミナセラミック - Google Patents
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Abstract
スパークプラグは、セラミック材料から形成される絶縁体を含む。セラミック材料は、９８．００重量％から９９．５０重量％の量のＡｌ2Ｏ3と、０．１６重量％から０．７０重量％の量の二族酸化物と、０．２５重量％から０．７５重量％の量のＳｉＯ2と、０．０１重量％から０．１６重量％の量の四族酸化物と、０．００６０重量％未満の量の一族酸化物と、０．００４０重量％未満の量のＰ2Ｏ5とを備える。ＡＬ2Ｏ3は、１．２μｍから１．８μｍのＤ５０体積平均粒子径を有する粒子から形成される。セラミック材料は、押し固められ、焼結され、予め定められた形状に成形される。焼結後のセラミック材料は、ＡＩ2Ｏ3、二族酸化物、およびＳｉＯ２を備えるガラス相を含む。焼結後のセラミック材料は、ヘキサアルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ12Ｏ19）スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、灰長石（ＣａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8）、およびムライト（Ａｌ6Ｓｉ2Ｏ13）の二次結晶も含む。
Description
関連出願
この出願は、２００６年１２月１８日に出願された米国出願連続番号第１１／６１１，９４６号および２０１０年４月２３日に出願された米国仮出願連続番号第６１／３２７，２０１号の優先権を主張する一部継続出願であり、その全体がここに引用により援用される。
この出願は、２００６年１２月１８日に出願された米国出願連続番号第１１／６１１，９４６号および２０１０年４月２３日に出願された米国仮出願連続番号第６１／３２７，２０１号の優先権を主張する一部継続出願であり、その全体がここに引用により援用される。
発明の背景
１．発明の分野
この発明は一般的に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のためのセラミック材料に関する。
１．発明の分野
この発明は一般的に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のためのセラミック材料に関する。
２．先行技術の説明
スパークプラグは典型的に、内燃機関の燃焼室の中に延在し、発火端とそれに取付けられたフック型の接地電極とを有する円筒形金属シェルを含む。円筒形絶縁体は一部が金属シェル内に配設され、発火端に向けておよび末端にも向けて金属シェルを越えて軸方向に延在する。発火端において、円筒形中心電極が絶縁体内に配設され、接地電極に向けて絶縁体から軸方向に突出し、電極同士の間に火花ギャップが規定される。
スパークプラグは典型的に、内燃機関の燃焼室の中に延在し、発火端とそれに取付けられたフック型の接地電極とを有する円筒形金属シェルを含む。円筒形絶縁体は一部が金属シェル内に配設され、発火端に向けておよび末端にも向けて金属シェルを越えて軸方向に延在する。発火端において、円筒形中心電極が絶縁体内に配設され、接地電極に向けて絶縁体から軸方向に突出し、電極同士の間に火花ギャップが規定される。
動作の際、スパークプラグを通して中心電極に点火電圧パルスが印加され、これにより火花が中心電極と接地電極との間の火花ギャップを飛び越える。火花は燃焼室内の混合気に点火して高温燃焼を生じさせ、エンジンにパワーを与える。セラミック絶縁体を用いて電極での高電圧を絶縁し、中心電極の先端で火花が起こるがスパークプラグ上の他のどこでも起こらないようにすることを確実にする。絶縁体は約１０００℃までの温度で厳しい条件に晒されるため、典型的に、十分な熱伝導率および絶縁体力を与えるようにセラミック材料から形成される。
しかしながら、燃焼機関がより複雑になり、高温で動作し、かつ火花が火花ギャップを飛び越えるのにより高い電圧が必要になるにつれて、セラミック絶縁体に対する性能の要求が増す。さらに、製造者は、スパークプラグ絶縁体のサイズおよびコストを最小限に保ちつつスパークプラグ絶縁体の耐用年数を長くすることを望む。
発明の概要
発明の１つの局面はスパークプラグの絶縁体のためのセラミック材料を提供し、セラミック材料は、セラミック材料の重量パーセント（重量％）で、９８．００重量％から９９．５０重量％の量の酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と、０．１６重量％から０．７０重量％の量の二族アルカリ土類金属の少なくとも１つの酸化物（二族酸化物）と、０．２５重量％から０．７５重量％の量の二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）とを備える。セラミックを調製するのに用いられるＡｌ2Ｏ3粉末は、１．２μｍから１．８μｍのＤ５０体積平均粒子径を有する。
発明の１つの局面はスパークプラグの絶縁体のためのセラミック材料を提供し、セラミック材料は、セラミック材料の重量パーセント（重量％）で、９８．００重量％から９９．５０重量％の量の酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と、０．１６重量％から０．７０重量％の量の二族アルカリ土類金属の少なくとも１つの酸化物（二族酸化物）と、０．２５重量％から０．７５重量％の量の二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）とを備える。セラミックを調製するのに用いられるＡｌ2Ｏ3粉末は、１．２μｍから１．８μｍのＤ５０体積平均粒子径を有する。
セラミック材料の成分の重量％は、セラミック材料の合計量に対する成分の濃度として定義される。Ａｌ2Ｏ3、二族酸化物、およびＳｉＯ2の存在および量は、セラミック材料を焼結した後にＸ線蛍光（ＸＲＦ）または誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）によって測定される。Ａｌ2Ｏ3の粒子径分布は、セラミック材料を押し固めて焼結する前にBeckman-Coulter LS-230レーザ散乱機器を用いて測定される。平均粒子径は粒子径分布から定められる。Ｄ５０体積平均粒子径は粒子の球相当径であり、粒子の５０．０％がより大きな相当径を有し、それ以外の５０．０％がより小さな相当径を有する。
発明の別の局面は、スパークプラグのためのセラミック材料から形成される絶縁体であって、セラミック材料の重量％で、９８．００重量％から９９．５０重量％の量のＡｌ2Ｏ3と、０．１６重量％から０．７０重量％の量の少なくとも１つの二族酸化物と、０．２５重量％から０．７５重量％の量のＳｉＯ2とを備える、絶縁体を提供する。Ａｌ2Ｏ3は、１．２μｍから１．８μｍのＤ５０体積平均粒子径を有する。
発明の別の局面は、セラミック材料から形成される絶縁体を含むスパークプラグであって、セラミック材料の重量％で、９８．００重量％から９９．５０重量％の量のＡｌ2Ｏ3と、０．１６重量％から０．７０重量％の量の少なくとも１つの二族酸化物と、０．２５重量％から０．７５重量％の量のＳｉＯ2とを備える、スパークプラグを提供する。Ａｌ2Ｏ3は、１．２μｍから１．８μｍのＤ５０体積平均粒子径を有する。
発明のまた別の局面は、スパークプラグの絶縁体のためのセラミック材料を作製する方法を提供し、方法は、セラミック材料の重量％で、９８．００重量％から９９．５０重量％の量の、Ｄ５０体積平均粒子径が１．２μｍから１．８μｍのＡｌ2Ｏ3と、０．１６重量％から０．７０重量％の量の少なくとも１つの二族酸化物と、０．２５重量％から０．７５重量％の量のＳｉＯ2とを備えるセラミック粒子を設けるステップと、セラミック粒子を押し固めるステップと、セラミック粒子を焼結するステップとを備える。
発明の別の局面は、スパークプラグのためのセラミック材料から形成される絶縁体を作製する方法を提供し、方法は、セラミック材料の重量％で、９８．００重量％から９９．５０重量％の量の、Ｄ５０体積平均粒子径が１．２μｍから１．８μｍのＡｌ2Ｏ3と、０．１６重量％から０．７０重量％の量の少なくとも１つの二族酸化物と、０．２５重量％から０．７５重量％の量のＳｉＯ2とを備えるセラミック粒子を設けるステップと、セラミック粒子を押し固めるステップと、セラミック粒子を焼結するステップと、セラミック粒子を予め定められた形状に成形するステップとを備える。
スパークプラグ絶縁体のためのセラミック材料は、先行技術のセラミック絶縁体と比較して向上した熱伝導率および絶縁体力を与える。したがって、セラミック材料は、セラミック絶縁体のサイズまたはコストの大幅な増大なしに、より長い耐用年数と燃焼室の高温高電圧環境内での向上した性能とを与える。
本発明の他の利点が容易に認められるであろう。というのも、添付の図面と関連して考慮すると、以下の詳細な説明を参照して本発明がよりよく理解されるからである。
発明の詳細な説明
図１を参照して、内燃機関中で混合気に点火するための代表的なスパークプラグ２０を示す。スパークプラグ２０は、セラミック材料の重量パーセント（重量％）で、９８．００重量％から９９．５０重量％の量の酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と、０．１６重量％から０．７０重量％の量の二族アルカリ土類金属の少なくとも１つの酸化物（二族酸化物）と、０．２５重量％から０．７５重量％の量の二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）とを備えるセラミック材料から形成される絶縁体２２を含む。Ａｌ2Ｏ3は、１．２ミクロン（μｍ）から１．８μｍの体積平均粒子径（Ｄ５０）を有する。セラミック材料は、Ａｌ2Ｏ3、少なくとも１つの二族酸化物、およびＳｉＯ2を含むセラミック粒子を設け、セラミック粒子を押し固め、セラミック粒子を焼結することによって作製される。
図１を参照して、内燃機関中で混合気に点火するための代表的なスパークプラグ２０を示す。スパークプラグ２０は、セラミック材料の重量パーセント（重量％）で、９８．００重量％から９９．５０重量％の量の酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と、０．１６重量％から０．７０重量％の量の二族アルカリ土類金属の少なくとも１つの酸化物（二族酸化物）と、０．２５重量％から０．７５重量％の量の二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）とを備えるセラミック材料から形成される絶縁体２２を含む。Ａｌ2Ｏ3は、１．２ミクロン（μｍ）から１．８μｍの体積平均粒子径（Ｄ５０）を有する。セラミック材料は、Ａｌ2Ｏ3、少なくとも１つの二族酸化物、およびＳｉＯ2を含むセラミック粒子を設け、セラミック粒子を押し固め、セラミック粒子を焼結することによって作製される。
セラミック材料の成分の重量％は、セラミック材料の合計量に対する成分の濃度として定義される。たとえば、セラミック材料が９９．００重量％のＡｌ2Ｏ3を含めば、合計セラミック材料の９９．００％がＡｌ2Ｏ3からなり、合計セラミック材料の残余の１．００％が他の化合物からなる。セラミック材料のＡｌ2Ｏ3、二族酸化物、およびＳｉＯ2の存在および量は、セラミック材料を焼結した後にＸ線蛍光（ＸＲＦ）または誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）によって測定される。Ａｌ2Ｏ3の粒子径分布は、セラミック材料を押し固めて焼結する前にBeckman-Coulter LS-230レーザ散乱機器を用いて測定される。平均粒子径は粒子径分布から定められる。
代表的なスパークプラグ２０アセンブリは、図１に示すように、金属シェル２４と、絶縁体２２と、中心電極２６と、接地電極２８とを含む。技術分野で一般的に公知のように、金属シェル２４はその軸方向長さに沿って延在する中空ボアを有するほぼ円筒形の導電性構成要素である。そのボア内には、絶縁体２２の直径方向に小さくなっていく断面を支持するようにサイズ決めされる一連の周方向肩部が存在する。金属シェル２４のように、絶縁体２２もほぼ円筒形状を有し、細長い軸方向ボアを含む。絶縁体２２の下側軸方向端は、金属シェル２４のいちばん下の部分からそれを越えて発火端３６に向けて一般的に延在するノーズ部分を備える。絶縁体２２の軸方向ボアは、一方端で末端電極３０を受け、発火端３６で中心電極２６を受けるように設計される。中心配線アセンブリ３２は末端電極３０から中心電極２６へ延在する。接地電極２８は、機械的におよび電気的に金属シェル２４の下側軸方向端に接続される。中心電極２６の露出端と接地電極２８の側面とは互いに対向し、これによりスパークプラグ２０の発火端３６で火花ギャップ３４を規定する。図１に示されかつ本明細書中で説明されるスパークプラグ２０は、多数の可能な実施形態のうちのただ１つの例示的な実施形態である。
動作の際、末端電極３０は、中心電極２６の下側露出端に達するまで中心配線アセンブリ３２に沿って移動する点火システム（図示せず）から高電圧点火パルスを受ける。パルスが火花ギャップ３４を跨ぐのに十分なエネルギを有する場合、中心電極２６と接地電極２８との間に火花が形成され、これは次に金属シェル２４を介してエンジンに接地される。火花はエンジン内の燃焼室に予め噴射された混合気に点火し、次にエンジンにパワーを与えるのに用いられる燃焼プロセスを開始させる。
スパークプラグ２０の絶縁体２２は、セラミック材料の熱伝導率および絶縁体力に影響を及ぼすのに十分な量のＡｌ2Ｏ3を備えるセラミック材料から形成される。セラミック材料は、セラミック材料の重量％で、９８．００重量％から９９．５０重量％の量のＡｌ2Ｏ3を含む。別の実施形態では、セラミック材料は、９８．５０重量％から９９．３０重量％の量のＡｌ2Ｏ3を含む。また別の実施形態では、セラミック材料は、９８．９０重量％から９９．１０重量％の量のＡｌ2Ｏ3を含む。以上述べたように、Ａｌ2Ｏ3の存在および量は、セラミック材料を焼結した後にＸ線蛍光（ＸＲＦ）または誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）によって測定される。
Ａｌ2Ｏ3は、セラミック材料の間隙率、密度、および絶縁体力に影響を及ぼすのに十分な粒子径を有するセラミック粒子の形態で設けられる。１つの実施形態では、Ａｌ2Ｏ3は、１．２μｍから１．８μｍのＤ５０体積平均粒子径を有する。別の実施形態では、Ａｌ2Ｏ3は、１．３μｍから１．７μｍのＤ５０体積平均粒子径を有する。また別の実施形態では、Ａｌ2Ｏ3は、１．４μｍから１．６μｍのＤ５０体積平均粒子径を有する。Ｄ５０平均粒子径は粒子の球相当径であり、粒子の５０．０％はより大きな相当径を有し、それ以外の５０．０％はより小さな相当径を有する。以上述べたように、粒子径分布は、セラミック粒子を押し固めて焼結する前にBeckman-Coulter LS-230レーザ散乱機器を用いて測定され、平均粒子径は粒子径分布から定められる。
粒子径分布はＤ９０粒子径としても記述することができる。１つの実施形態では、Ａｌ2Ｏ3は、２．５μｍから６．０μｍのＤ９０体積粒子径を有する。別の実施形態では、Ａｌ2Ｏ3は、２．９μｍから５．１μｍのＤ９０体積粒子径を有する。また別の実施形態では、Ａｌ2Ｏ3は、３．５μｍから４．５μｍのＤ９０体積粒子径を有する。Ｄ９０体積粒子径は粒子の球相当径であり、粒子の９０．０％がＤ９０相当径よりも小さな粒子径を有する。この粒子径分布測定も、セラミック粒子を押し固めて焼結する前にBeckman-Coulter LS-230レーザ散乱機器を用いて行なわれ、Ｄ９０粒子径は粒子径分布から定められる。
セラミックＡｌ2Ｏ3粒子は、セラミック材料の間隙率、密度、および絶縁体力に影響を及ぼすのに十分な比表面積を有する。１つの実施形態では、Ａｌ2Ｏ3は２．０ｍ2／ｇから５．０ｍ2／ｇの比表面積を有する。別の実施形態では、Ａｌ2Ｏ3は２．５ｍ2／ｇから４．５ｍ2／ｇの比表面積を有する。また別の実施形態では、Ａｌ2Ｏ3は３．０ｍ2／ｇから４．０ｍ2／ｇの比表面積を有する。Ａｌ2Ｏ3粒子の比表面積は、Micromeritics Instrument Corporation Gemini II Model 2370を用いてＢＥＴ法によって測定される。ＢＥＴ法は、分子の単一の層を形成するようにセラミック粒子の表面に吸収される窒素ガスの量を測定することによって比表面積を定めることに係る。Ａｌ2Ｏ3の比表面積はセラミック粒子を押し固めて焼結する前に測定される。
セラミック絶縁体は、セラミック材料の熱伝導率および絶縁体力に影響を及ぼすのに十分な量の少なくとも１つの二族酸化物を含む。セラミック材料は、セラミック材料の重量％で、０．１６重量％から０．７０重量％の量の少なくとも１つの二族酸化物を含む。１つの実施形態では、セラミック材料は、０．３３重量％から０．６０重量％の量の少なくとも１つの二族酸化物を含む。また別の実施形態では、セラミック材料は、０．４０重量％から０．５３重量％の量の少なくとも１つの二族酸化物を含む。少なくとも１つの二族酸化物の重量％は、セラミック材料の合計量に対するセラミック材料の各々の二族酸化物の重量％の和に等しい。換言すると、少なくとも１つの二族酸化物の重量％は、セラミック材料の合計量に対する二族酸化物の濃度として定義される。二族酸化物の存在および量は、セラミック材料を焼結した後にＸ線蛍光（ＸＲＦ）または誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）によって測定される。
セラミック材料の二族酸化物は、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、および酸化ラジウム（ＲａＯ）を備える群のうち少なくとも１つを含む。１つの実施形態では、セラミック材料の二族酸化物は、０．１６重量％から０．７０重量％の量の酸化カルシウム（ＣａＯ）および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む。
１つの実施形態では、セラミック材料は、セラミック材料の重量％で、０．１５重量％から０．５５重量％の量のＣａＯを含む。別の実施形態では、セラミック材料は、０．３０重量％から０．５０重量％の量のＣａＯを含む。また別の実施形態では、セラミック材料は、０．３５重量％から０．４５重量％の量のＣａＯを含む。ＣａＯの存在および量は、セラミック材料を焼結した後にＸ線蛍光（ＸＲＦ）または誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）によって測定される。
１つの実施形態では、セラミック材料は、セラミック材料の重量％で、０．０１重量％から０．１５重量％の量のＭｇＯを含む。別の実施形態では、セラミック材料は、０．０３重量％から０．１０重量％の量のＭｇＯを含む。また別の実施形態では、セラミック材料は、０．０５重量％から０．０８重量％の量のＭｇＯを含む。ＭｇＯの存在および量は、セラミック材料を焼結した後にＸ線蛍光（ＸＲＦ）または誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）によって測定される。
セラミック材料は、セラミック材料の熱伝導率および絶縁体力に影響を及ぼすのに十分な量の二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）を含む。セラミック材料は、セラミック材料の重量％で、０．２５重量％から０．７５重量％の量のＳｉＯ2を含む。１つの実施形態では、セラミック材料は、０．５０重量％から０．７０重量％の量のＳｉＯ2を含む。また別の実施形態では、セラミック材料は、０．５５重量％から０．６５重量％の量のＳｉＯ2を含む。ＳｉＯ2の存在および量は、セラミック材料を焼結した後にＸ線蛍光（ＸＲＦ）または誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）によって測定される。
１つの実施形態では、セラミック材料は、セラミック材料の熱伝導率および絶縁体力に影響を及ぼすのに十分な量の四族遷移金属の少なくとも１つの酸化物（四族酸化物）を含む。１つの実施形態では、セラミック材料は、セラミック材料の重量％で、０．０１重量％から０．１６重量％の量の少なくとも１つの四族酸化物を含む。別の実施形態では、セラミック材料は、０．０４重量％から０．１３重量％の量の少なくとも１つの四族酸化物を含む。また別の実施形態では、セラミック材料は、０．０７重量％から０．１０重量％の量の少なくとも１つの四族酸化物を含む。四族酸化物の存在および量は、セラミック材料を焼結した後にＸ線蛍光（ＸＲＦ）または誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）によって測定される。
セラミック材料の四族酸化物は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、二酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、および酸化ラザホジウム（ＲｆＯ2）のうち少なくとも１つを含む。１つの実施形態では、四族酸化物は０．０７重量％から０．１０重量％の量のＺｒＯ2およびＴｉＯ2を含む。
１つの実施形態では、セラミック材料は、セラミック材料の重量％で、０．０１重量％から０．１５重量％の量のＺｒＯ2を含む。別の実施形態では、セラミック材料は、０．０４重量％から０．１２重量％の量のＺｒＯ2を含む。また別の実施形態では、セラミック材料は、０．０７重量％から０．０９重量％の量のＺｒＯ2を含む。ＺｒＯ2の存在および量は、セラミック材料を焼結した後にＸ線蛍光（ＸＲＦ）または誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）によって測定される。
１つの実施形態では、セラミック材料は、セラミック材料の重量％で、０．０１重量％までの量のＴｉＯ2を含む。別の実施形態では、セラミック材料は、０．００６重量％までの量のＴｉＯ2を含む。また別の実施形態では、セラミック材料は、０．００４重量％までの量のＴｉＯ2を含む。ＴｉＯ2の存在および量は、セラミック材料を焼結した後にＸ線蛍光（ＸＲＦ）または誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）によって測定される。
１つの実施形態では、セラミック材料は、セラミック材料の熱伝導率および絶縁体力に影響を及ぼすのに十分な量の一族アルカリ金属の少なくとも１つの酸化物（一族酸化物）を含む。１つの実施形態では、セラミック材料は、セラミック材料の重量％で、０．００６０重量％未満の量の少なくとも１つの一族酸化物を含む。別の実施形態では、セラミック材料は、０．００４０重量％未満の量の少なくとも１つの一族酸化物を含む。また別の実施形態では、セラミック材料は、０．００２０重量％未満の量の少なくとも１つの一族酸化物を含む。一族酸化物の存在および量は、セラミック材料を焼結した後にＸ線蛍光（ＸＲＦ）または誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）によって測定される。
セラミック材料の一族酸化物は、酸化カリウム（Ｋ2Ｏ）、酸化ナトリウム（Ｎａ2Ｏ）、酸化リチウム（Ｌｉ2Ｏ）、酸化ルビジウム（Ｒｂ2Ｏ）、酸化セシウム（Ｃｓ2Ｏ）、および酸化フランシウム（Ｆｒ2Ｏ）のうち少なくとも１つを含む。１つの実施形態では、セラミック材料の一族酸化物は、０．００６０重量％未満の量のＫ2ＯおよびＮａ2Ｏを含む。
１つの実施形態では、セラミック材料は、少なくとも１つの二族酸化物、少なくとも１つの四族酸化物、および少なくとも１つの一族酸化物を含む。別の実施形態では、セラミック材料は、少なくとも１つの二族酸化物および少なくとも１つの四族酸化物を含む。また別の実施形態では、セラミック材料は、少なくとも１つの二族酸化物および少なくとも１つの一族酸化物を含む。
１つの実施形態では、セラミック材料は、セラミック材料の重量％で、０．００５０重量％未満の量のＫ2Ｏを含む。別の実施形態では、セラミック材料は、０．００３０重量％未満の量のＫ2Ｏを含む。また別の実施形態では、セラミック材料は、０．００２０重量％未満の量のＫ2Ｏを含む。Ｋ2Ｏの存在および量は、セラミック材料を焼結した後にＸ線蛍光（ＸＲＦ）または誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）によって測定される。
１つの実施形態では、セラミック材料は、セラミック材料の重量％で、０．００１０重量％までの量のＮａ2Ｏを含む。別の実施形態では、セラミック材料は、０．０００９重量％までの量のＮａ2Ｏを含む。また別の実施形態では、セラミック材料は、０．０００７重量％までの量のＮａ2Ｏを含む。Ｎａ2Ｏの存在および量は、セラミック材料を焼結した後にＸ線蛍光（ＸＲＦ）または誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）によって測定される。
１つの実施形態では、セラミック材料は、セラミック材料の熱伝導率および絶縁体力に影響を及ぼすのに十分な量の五酸化リン（Ｐ2Ｏ5）を含む。１つの実施形態では、セラミック材料は、セラミック材料の重量％で、０．００４０重量％未満の量のＰ2Ｏ5を含む。別の実施形態では、セラミック材料は、０．００１０重量％から０．００３５重量％の量のＰ2Ｏ5を含む。また別の実施形態では、セラミック材料は、０．００２５重量％から０．００３０重量％の量のＰ2Ｏ5を含む。Ｐ2Ｏ5の存在および量は、セラミック材料を焼結した後にＸ線蛍光（ＸＲＦ）または誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）によって測定される。
１つの実施形態では、セラミック材料は、セラミック材料の熱伝導率および絶縁体力に影響を及ぼすのに十分な量の酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）を含む。１つの実施形態では、セラミック材料は、セラミック材料の重量％で、０．５０重量％までの量のＢ2Ｏ3を含む。別の実施形態では、セラミック材料は、０．４０重量％までの量のＢ2Ｏ3を含む。また別の実施形態では、セラミック材料は、０．３０重量％までの量のＢ2Ｏ3を含む。Ｂ2Ｏ3の存在および量は、セラミック材料を焼結した後に誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）によって測定される。
１つの実施形態では、セラミック材料は、セラミック材料の成分を互いに接着するのに十分な量の結合剤と混合される。結合剤は、各々の成分の重量％を定める際にはセラミック材料の組成に含まれない。結合剤は好ましくは、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）などの有機樹脂もしくはワックス、ワックス、またはワックス、水、および乳化剤を含む乳剤、またはこれらの有機樹脂およびワックスの混合物を含む。結合剤は、セラミック粉末の乾燥重量に基づく約１．５重量％から約２．５重量％の量で加えられる。典型的に、結合剤は焼結工程の間にきれいに燃え尽きて、焼結後のセラミック材料中には存在しない。
１つの実施形態では、Ａｌ2Ｏ3、二族酸化物、およびＳｉＯ2の少なくとも一部は焼結の間に混合されてガラス相を形成する。焼結後のセラミック材料は、セラミック材料の重量％で、０．５０重量％から２．０重量％の量のガラス相を含む。別の実施形態では、焼結後のセラミックは、０．７５重量％から１．５重量％の量のガラス相を含む。また別の実施形態では、焼結後のセラミックは、０．８５重量％から１．１５重量％の量のガラス相を含む。相当する先行技術のセラミック材料は典型的に、４．０重量％から５．０重量％の量のガラス相を含む。焼結後のセラミック材料中のガラス相の存在は、セラミック材料を焼結した後に、Ｘ線回折（ＸＲＤ）を用いてまたは分析的スクリーニング透過電子顕微鏡（ＡＳＴＥＭ）を用いた電子回折によって測定される。ガラス相の量は、セラミック材料を焼結した後にＸ線蛍光（ＸＲＦ）または誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を用いて推定することができる。
１つの実施形態では、ガラス相は、ガラス相の重量％で、５．０重量％から５０．０重量％の量のＡｌ2Ｏ3を含む。別の実施形態では、ガラス相は、１５．０重量％から４５．０重量％の量のＡｌ2Ｏ3を含む。また別の実施形態では、ガラス相は、３１．０重量％から３９．０重量％の量のＡｌ2Ｏ3を含む。ガラス相中のＡｌ2Ｏ3の存在は、セラミック材料を焼結した後に、エネルギ分散性分光法ＥＤＳまたは分析的走査透過電子顕微鏡（ＡＳＴＥＭ）を用いるＥＤＸを用いて測定される。ガラス相中のＡｌ2Ｏ3の量を分析的に定めることは困難であるが、Ａｌ2Ｏ3−ＳｉＯ2−ＭｇＯ−ＣａＯ状態図は、Ａｌ2Ｏ3が典型的に１５．０重量％から４５．０重量％の量で存在することを示している。
１つの実施形態では、ガラス相は、ガラス相の重量％で、１５．５重量％から３１．７重量％の量の二族酸化物を含む。別の実施形態では、ガラス相は、１７．０重量％から２７．５重量％の量の二族酸化物を含む。また別の実施形態では、ガラス相は、２１．２重量％から２５．０重量％の量の二族酸化物を含む。ガラス相中の二族酸化物の存在は、セラミック材料を焼結した後にエネルギ分散性分光法ＥＤＳまたは分析的走査透過電子顕微鏡（ＡＳＴＥＭ）を用いるＥＤＸを用いて測定される。
１つの実施形態では、ガラス相の二族酸化物は、１５．０重量％から２４．０重量％の量のＣａＯと０．５重量％から７．７重量％の量のＭｇＯとを含む。別の実施形態では、二族酸化物は、１７．０重量％から２２．４重量％の量のＣａＯと０．９重量％から５．５重量％の量のＭｇＯとを含む。別の実施形態では、二族酸化物は、１９．０重量％から２０．０重量％の量のＣａＯと２．５重量％から４．６重量％の量のＭｇＯとを含む。
１つの実施形態では、ガラス相は、ガラス相の重量％で、２７．０重量％から５０．０重量％の量のＳｉＯ2を含む。別の実施形態では、ガラス相は、３４．０重量％から４７．３重量％の量のＳｉＯ2を含む。また別の実施形態では、ガラス相は、４０．０重量％から４３．２重量％の量のＳｉＯ2を含む。ガラス相中のＳｉＯ2の存在は、セラミック材料を焼結した後にエネルギ分散性分光法ＥＤＳまたは分析的走査透過電子顕微鏡（ＡＳＴＡＭ）を用いたＥＤＸを用いる。
１つの実施形態では、Ａｌ2Ｏ3、二族酸化物、およびＳｉＯ2の少なくとも一部は焼結の間に混合されて二次結晶を形成する。二次結晶は、ヘキサアルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ12Ｏ19）スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、灰長石（ＣａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8）、およびムライト（Ａｌ6Ｓｉ2Ｏ13）のうち少なくとも１つを含む。二次結晶の存在および量は、エネルギ分散性Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を用いて走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって測定される。二次結晶の相組成は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）を用いて、または分析的走査透過電子顕微鏡（ＡＳＴＡＭ）を用いる電子回折によって測定される。焼結後のセラミック材料は典型的に、１．０％未満の量の二次結晶を含む。二次結晶のうち各々の中のＡｌ2Ｏ3、二族酸化物、およびＳｉＯ2の存在もエネルギ分散性Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を用いた走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって測定される。二次結晶中のＡｌ、Ｏ、Ｓｉ、および二族元素の量は、焼結後のセラミック材料中の二次結晶が少量であるために、分析的に定めることが難しい。
表１は、発明のセラミック材料の多数の実施形態のうち１つである発明例１を含む。表１は、先行技術のセラミック材料である比較例１も含む。
表２は、発明のセラミック材料の多数の実施形態のもう２つの特定的な実施形態である発明例２および３を含む。図２（上側）は倍率２００ｘでの発明例１（０８−Ｂ−１０）の顕微鏡写真である。図２（下側）は、倍率１０００ｘでの発明例１（０８−Ｂ−１０）の顕微鏡写真である。表２は、別の先行技術のセラミック材料である比較例２も含む。図３（上側）は倍率２００ｘでの先行技術の比較例２（０９−Ｂ−２３）の顕微鏡写真である。図３（下側）は、倍率５００ｘでの先行技術の比較例２（０９−Ｂ−２３）の顕微鏡写真である。焼結の後、発明例２のセラミック材料は約１．０重量％の量のガラス相を含み、比較例２のセラミック材料は約４．０重量％の量のガラス相を含む。
発明例２（０８−Ｂ−１０）は、セラミック材料の重量％で、９８．１９重量％の量のAlmatis A152-SGアルミナ、０．８４重量％の量のEdgar Plasticカオリン（ＥＰＫ）、０．２２重量％の量のYellowstoneタルク、０．６８重量％の量のHubercarb ＣａＣＯ3、および０．０８重量％の量のＣＣ１０ジルコニアという市販の製品を含んでもよい。
さらに、本発明は、スパークプラグ２０の絶縁体２２のためのセラミック材料を作製する方法を含む。以上で言及したように、方法は、平均粒子径が１．２μｍから１．８μｍのセラミック粒子の形態のＡｌ2Ｏ3を設けるステップを含む。１つの実施形態では、方法は、セラミック粒子の形態のＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、Ｋ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、およびＰ2Ｏ5を含むセラミック材料の他の成分を設けるステップを含む。以上で言及したように、方法は、９８．００重量％から９９．５０重量％の量のＡｌ2Ｏ3を設けるステップと、０．１６重量％から０．７０重量％の量の少なくとも１つの二族酸化物を設けるステップと、０．２５重量％から０．７５重量％の量のＳｉＯ2を設けるステップとを含む。
方法の１つの実施形態は、水の中に分散されたセラミック粒子の懸濁液を約６時間の間粉砕する（milling）ステップを含む。実施形態は、Darvan 821Aなどの解膠剤および結合剤を懸濁液に加えるステップを含む。実施形態は次に、約１２５℃の出口温度で動作するBowen #1噴霧乾燥機などの噴霧乾燥機を用いてセラミック粒子を噴霧乾燥するステップを含む。次に、実施形態は、噴霧乾燥したセラミック粒子を約−６０メッシュのサイズにスクリーニングするステップを含む。実施形態は、たとえばセラミック粒子を約３０，０００ｐｓｉの圧力に押し固めて予め定められた形状にするなど、セラミック粒子を予め定められた形状に成形するステップを含む。しかしながら、セラミック粒子は他の圧力に押し固められてもよい。以上で言及したように、１つの実施形態では、セラミック粒子は、図１に示される絶縁体２２を形成するようにほぼ円筒形状に押し固められる。１つの実施形態では、絶縁体２２の外面は砥石車を用いて最終形状に形作られる。次に、実施形態は、押し固められたセラミック材料を約３時間程度の休止時間で約１６００℃の温度まで焼結するまたは焼成するステップを含む。
本発明の焼成後のセラミック材料は、先行技術のセラミック絶縁体と比較して、スパークプラグ絶縁体２２としての使用のための向上した性質および性能を提供する。本発明の焼結後のセラミック材料は、ボイド空間とも称される複数の細孔を含む。セラミック材料の各々の細孔は１５．０μｍ未満の最大細孔サイズおよび約３．０μｍの平均細孔サイズを有する。細孔サイズは、単一の細孔の球相当径（ＥＳＤ）によって測定される。焼結後のセラミック材料は、セラミック材料の面積パーセント（面積％）で、１．５０面積％までの間隙率を有する。セラミック材料の合計面積は、固体成分の面積および細孔の面積の両者を含む。間隙率はセラミック材料の各々の細孔の面積の和に等しい。換言すると、間隙率は、セラミック材料の各々の細孔の面積を定め、次に面積を加算することによって得られる。細孔のサイズおよび間隙率は、セラミック材料を焼結した後に定められる。
セラミック材料の間隙率および細孔サイズは、微分干渉コントラスト（ＤＩＣ）を用いるNikon ME600 DPなどの反射光顕微鏡を用いてセラミック材料のサンプルを見ることで定められる。顕微鏡は、定規、またはＥＤＳおよび各々の見える細孔の面積を測定する別の測定具を含む。図２（上側）は、倍率２００ｘでの発明例１（０８−Ｂ−１０）の微細構造および細孔を示す。図２（下側）は、１０００ｘでの発明例１（０８−Ｂ−１０）の微細構造および細孔を示す。図２は、細孔および粒ならびにそれらの対応のサイズも同定する。図３（上側）は。倍率２００ｘでの先行技術のセラミック材料、比較例２（０９−Ｂ−２３）の微細構造および細孔を示す。図３（下側）は、５００ｘでの比較例２（０９−Ｂ−２３）の微細構造および細孔を示す。図３は、細孔および粒ならびにそれらの対応のサイズも同定する。
テストは、先行技術のセラミック材料（０９−Ｂ−２３）に対して、発明のセラミック材料（０８−Ｂ−１０）の１つの実施形態の平均細孔サイズ、最大細孔サイズ、合計細孔面積、および間隙率を比較するように行なわれた。各材料の試料は、従来の粉砕、噴霧乾燥、１０，０００ｐｓｉでの円板への押し固め、および実験室窯炉中での約１５８０℃での焼成によって処理された。焼結後の試料は、ダイヤモンドウェハ成形鋸を用いて各試料の中心線断面を切断することによって分析用に準備された。結果的に得られた断面を、急結エポキシ樹脂を用いてマウントした。マウントしたサンプルは自動研磨システムを用いて研磨された。仕上げ研磨および機械的エッチングはｐＨが高い水性０．０６μｍコロイダルシリカスラリーを用いて達成された。試料毎に４つの画像を倍率２００ｘで得て、ImagePro Ver. 5画像分析および処理ソフトウェアを用いて分析した。表３は、２つの試料の平均細孔サイズ、最大細孔サイズ、合計細孔面積、および間隙率（面積％）を報告する。平方ミクロン（μｍ2）での合計細孔面積は４つの試料の細孔面積の和を含む。細孔サイズおよび間隙率は４つの試料の平均である。表４は、μｍで、各試料毎のすべての４つの画像で観察された１０個の最も大きな細孔のＥＳＤ測定サイズを報告する。表３および表４で示されるように、発明例１（０８−Ｂ−１０）は先行技術の比較例２（０９−Ｂ−２３）よりも小さな細孔サイズ、合計細孔面積、および間隙率を有する。
テストは、焼成温度の範囲にわたって発明のセラミック材料（０９−Ｂ−２９）の１つの実施形態の平均細孔サイズ、最大細孔サイズ、間隙率、および平均粒径を測定するためにも行なわれた。試料は、従来の粉砕、噴霧乾燥、１０，０００ｐｓｉでの円板への押し固め、および実験室窯炉中での１５００℃から１６５０℃への一連の温度での焼成によって処理された。焼結後の試料は、ダイヤモンドウェハ成形鋸を用いて各試料の中心線断面を切断することによって分析用に準備された。結果的に得られた断面は、急結エポキシ樹脂を用いてマウントされた。マウントされたサンプルは自動研磨システムを用いて研磨された。サンプルはまず、貼り合わせダイヤモンドディスクを用いて研削され、９μｍおよび３μｍのダイヤモンドスラリーを用いて研磨された。仕上げ研磨および機械的エッチングは、水性０．０５μｍコロイダルアルミナスラリーを用いて達成された。細孔サイズの観察は、１０００ｘまでの倍率で反射光顕微鏡を用いて行なわれ、取付けられたカメラシステムを用いて画像が捕捉された。試料当たり４つの画像を倍率２００ｘで得て、ImagePro Ver. 5画像分析および処理ソフトウェアを用いて分析した。粒径分析は、ASTM E-112-96に従ってＳＥＭを用いて試料の熱的にエッチングされた断面に対して行なわれた。表５は、１５００℃から１６５０℃までの焼成温度の範囲にわたる試料の平均細孔サイズおよび間隙率を報告する。表６は、１５２０℃から１６５０℃までの温度の範囲にわたる試料の平均粒径を報告する。
発明のセラミック材料は、先行技術のセラミック材料よりも高い圧粉密度、湿態強度、焼結後嵩密度、および焼結後相対密度を有する。圧粉密度は押し固め後であって焼結前のセラミック材料の嵩密度に等しい。嵩密度は、セラミック材料の合計体積で除算したセラミック材料のセラミック粒子の質量に等しい。以上で述べたように、セラミック材料の合計体積は、固体成分の体積および細孔の体積の両者を含む。したがって、圧粉密度は押し固め後であって焼結前に測定される。湿態強度は、その微細な詳細および尖った端縁を損なわずに、押し固め後であって焼結前にセラミック材料に施される機械的作業に耐えるのに必要な機械的強度である。したがって、湿態強度は、セラミック材料を押し固めた後であるがしかし焼結の前に測定される。焼成後嵩密度および焼成後相対密度は、セラミック材料を焼結した後に測定される。焼結後嵩密度は、焼結後セラミック材料の合計体積で除算した焼結後セラミック材料の質量に等しい。焼結後相対密度は、材料の理論的密度に対するセラミック材料の焼結後嵩密度の比率である。
先行技術のセラミック材料（０９−Ｂ−２３）に対して、発明のセラミック材料（０８−Ｂ−１０）の１つの実施形態の圧粉密度、湿態強度、焼成後嵩密度、および焼成後相対密度を比較するためにテストを行なった。各々の材料の試料は、従来の粉砕、噴霧乾燥、９，５００ｐｓｉでの円板への押し固め、ならびに約１５６０℃、１５８０℃、および１６００℃での焼成によって処理された。圧粉密度は押し固め後であって焼成前にテストされた。表７は、試料の圧粉密度、湿態強度、焼成後嵩密度、および焼成後相対密度を報告する。表７に示すように、発明のセラミック材料（０８−Ｂ−１０）は、先行技術のセラミック材料（０９−Ｂ−２３）よりも高い圧粉密度、湿態強度、焼成後嵩密度、および焼成後相対密度を有する。
発明のセラミック材料は、先行技術のセラミック材料よりも大きな絶縁破壊強度（ＤＢＳ）を有する。絶縁破壊強度は、破壊することなく、すなわちその絶縁性の破損を経ることなく、セラミック材料が耐えることができる最大電界強度である。
テストは、先行技術のセラミック材料（ＲＥＧ−Ｆ）に対して発明のセラミック材料（ＲＥＧ−Ｇ）のＤＢＳを比較するように行なわれた。発明のセラミック材料（ＲＥＧ−Ｇ）は、上記表２の発明例２（０８−Ｂ−１０）と同じ組成を有する。先行技術のセラミック材料（ＲＥＧ−Ｆ）は、上記表２の比較例２（０９−Ｂ−２３）と同じ組成を有する。１１個の絶縁体試料が発明のセラミック材料（ＲＥＧ−Ｇ）から形成され、１２個の絶縁体試料が、従来の粉砕、噴霧乾燥、９，５００ｐｓｉでの円筒形ブランクへの押し固め、砥石車を用いた未焼成ブランクへの所望のプロファイルの切削、および約１６００℃でのブランクの焼成によって先行技術のセラミック材料（ＲＥＧ−Ｆ）から形成された。絶縁体試料の各々は、１０．０ミリメーター差込み（thread）設計を有するサンプルスパークプラグ中に置かれた。スパークプラグは、それらを試験装置に差込むことによってテストされ、火花が中心電極と接地電極との間で形成しないように発火端付近で加圧され、こうしてセラミック絶縁体試料を通して強制的に絶縁破壊させた。自動車の点火源によって与えられる電圧がスパークプラグに印加され、破損が起こるまで１秒当たり１ｋＶの率で段階的に増大された。テストの後、サンプルスパークプラグの金属性シェルを取り外して、絶縁体試料において絶縁破壊が起こったことを検証した。
絶縁テスト結果を表８に示し、発明のセラミック材料は先行技術のセラミック材料と比較して向上した絶縁体力および性能を有することを示す。発明のセラミック材料（ＲＥＧ−Ｇ）は破損時の平均電圧が４６．４ｋＶであったが、これは、破損時の平均電圧が４３．９ｋＶであった先行技術のセラミック材料（ＲＥＧ−Ｆ）よりも約５．７％高い。より重要なことに、発明のセラミック材料（ＲＥＧ−Ｇ）を含むサンプルスパークプラグの破損時の最小電圧は４１．０ｋＶであったが、これは３９．０ｋＶであった先行技術のセラミック材料（ＲＥＧ−Ｆ）を含むサンプルスパークプラグの最小破損電圧よりも５．１％高かった。
テスト結果は、より小さな細孔サイズ、より小さな細孔面積、およびより高い密度が、セラミック材料の弱い所およびセラミック材料中でイオン化可能なトラップされたガスの量を低減することも示す。このように、発明のセラミック材料は、先行技術のセラミック材料と比較してＤＢＳがより高く、絶縁破損の尤度が低減されている。
テストは、焼成温度の範囲にわたる、発明の材料（０９−Ｂ−２９）の１つの実施形態の絶縁破壊強度および相関との細孔サイズおよび細孔面積の相関を定めるようにも行なわれた。以上で述べたように、絶縁破壊強度は、セラミック材料が本質的に破壊することなく耐えることができる最大電界強度である。このテストのために用いられる試料は約３．５ｍｍの厚みの円板であった一方で、前述の絶縁テストは、壁厚みが２．０ｍｍの絶縁体に対して行なわれた。絶縁破壊強度はASTM D-149に従って測定された。細孔サイズおよび細孔面積はASTM E-112に従って測定された。
テストは、焼成温度の範囲にわたる、発明の材料（０９−Ｂ−２９）の１つの実施形態の粒子径と絶縁破壊強度との間の相関を定めるようにも行なわれた。このテストのために用いられる試料は約３．５ｍｍの厚みの円板であった一方で、前述の絶縁テストは、壁厚みが２．０ｍｍの絶縁体に対して行なわれた。絶縁破壊強度はASTM D-149に従って測定され、粒子径はASTM E-112に従って測定された。
セラミック材料は、スパークプラグ絶縁体に用いられる先行技術のセラミック材料と比較して、より高い熱伝導率を提供する。発明のセラミック材料（０８−Ｂ−１０）の１つの実施形態は室温で約３５Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する一方で、先行技術のセラミック材料は典型的に、室温で約２４Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。熱伝導率は、セラミック材料を焼結した後に測定され、レーザフラッシュ法（ＡＳＴＭ Ｅ １４６１）によって測定することができる。
明らかなことに、本発明の多数の修正例および変形が上記教示に照らして可能であり、発明の範囲内にあれば、具体的に記載された以外の態様で実践されてもよい。
発明の概要
発明の１つの局面はスパークプラグの絶縁体のためのセラミック材料を提供し、セラミック材料は、セラミック材料の重量パーセント（重量％）で、９８．００重量％から９９．５０重量％の量の酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と、０．１６重量％から０．７０重量％の量の二族アルカリ土類金属の少なくとも１つの酸化物（二族酸化物）と、０．０１重量％から０．１６重量％の量の四族遷移金属の少なくとも１つの酸化物（四族酸化物）と、０．２５重量％から０．７５重量％の量の二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）とを備える。二族酸化物は、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、および酸化ラジウム（ＲａＯ）からなる群から選択される。四族酸化物は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ 2 ）、二酸化チタン（ＴｉＯ 2 ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ 2 ）、および酸化ラザホジウム（ＲｆＯ 2 ）からなる群から選択される。セラミックを調製するのに用いられるＡｌ2Ｏ3粉末は、１．２μｍから１．８μｍのＤ５０体積平均粒子径および２．５μｍから６．０μｍのＤ９０体積粒子径を有する。
発明の１つの局面はスパークプラグの絶縁体のためのセラミック材料を提供し、セラミック材料は、セラミック材料の重量パーセント（重量％）で、９８．００重量％から９９．５０重量％の量の酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と、０．１６重量％から０．７０重量％の量の二族アルカリ土類金属の少なくとも１つの酸化物（二族酸化物）と、０．０１重量％から０．１６重量％の量の四族遷移金属の少なくとも１つの酸化物（四族酸化物）と、０．２５重量％から０．７５重量％の量の二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）とを備える。二族酸化物は、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、および酸化ラジウム（ＲａＯ）からなる群から選択される。四族酸化物は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ 2 ）、二酸化チタン（ＴｉＯ 2 ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ 2 ）、および酸化ラザホジウム（ＲｆＯ 2 ）からなる群から選択される。セラミックを調製するのに用いられるＡｌ2Ｏ3粉末は、１．２μｍから１．８μｍのＤ５０体積平均粒子径および２．５μｍから６．０μｍのＤ９０体積粒子径を有する。
セラミック材料の成分の重量％は、セラミック材料の合計量に対する成分の濃度として定義される。Ａｌ2Ｏ3、二族酸化物、四族酸化物、およびＳｉＯ2の存在および量は、セラミック材料を焼結した後にＸ線蛍光（ＸＲＦ）または誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）によって測定される。Ａｌ2Ｏ3の粒子径分布は、セラミック材料を押し固めて焼結する前にBeckman-Coulter LS-230レーザ散乱機器を用いて測定される。平均粒子径は粒子径分布から定められる。Ｄ５０体積平均粒子径は粒子の球相当径であり、粒子の５０．０％がより大きな相当径を有し、それ以外の５０．０％がより小さな相当径を有する。平均粒子径は粒子径分布から定められる。Ｄ５０体積平均粒子径は粒子の球相当径であり、粒子の５０．０％がより大きな相当径を有し、それ以外の５０．０％がより小さな相当径を有する。Ｄ９０体積粒子径は粒子の球相当径であり、粒子の９０．０％がＤ９０相当径よりも小さな粒子径を有する。
発明の別の局面は、スパークプラグのためのセラミック材料から形成される絶縁体であって、セラミック材料の重量％で、９８．００重量％から９９．５０重量％の量のＡｌ2Ｏ3と、０．１６重量％から０．７０重量％の量の少なくとも１つの二族酸化物と、０．０１重量％から０．１６重量％の量の少なくとも１つの四族酸化物と、０．２５重量％から０．７５重量％の量のＳｉＯ2とを備える、絶縁体を提供する。二族酸化物は、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、および酸化ラジウム（ＲａＯ）からなる群から選択される。四族酸化物は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ 2 ）、二酸化チタン（ＴｉＯ 2 ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ 2 ）、および酸化ラザホジウム（ＲｆＯ 2 ）からなる群から選択される。Ａｌ2Ｏ3は、１．２μｍから１．８μｍのＤ５０体積平均粒子径および２．５μｍから６．０μｍのＤ９０体積粒子径を有する。
発明の別の局面は、セラミック材料から形成される絶縁体を含むスパークプラグであって、セラミック材料の重量％で、９８．００重量％から９９．５０重量％の量のＡｌ2Ｏ3と、０．１６重量％から０．７０重量％の量の少なくとも１つの二族酸化物と、０．０１重量％から０．１６重量％の量の少なくとも１つの四族酸化物と、０．２５重量％から０．７５重量％の量のＳｉＯ2とを備える、スパークプラグを提供する。二族酸化物は、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、および酸化ラジウム（ＲａＯ）からなる群から選択される。四族酸化物は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ 2 ）、二酸化チタン（ＴｉＯ 2 ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ 2 ）、および酸化ラザホジウム（ＲｆＯ 2 ）からなる群から選択される。Ａｌ2Ｏ3は、１．２μｍから１．８μｍのＤ５０体積平均粒子径および２．５μｍから６．０μｍのＤ９０体積粒子径を有する。
発明のまた別の局面は、スパークプラグの絶縁体のためのセラミック材料を作製する方法を提供し、方法は、セラミック材料の重量％で、９８．００重量％から９９．５０重量％の量の、Ｄ５０体積平均粒子径が１．２μｍから１．８μｍでありＤ９０体積粒子径が２．５μｍから６．０μｍのＡｌ2Ｏ3と、０．１６重量％から０．７０重量％の量の少なくとも１つの二族酸化物であって、二族酸化物は、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、および酸化ラジウム（ＲａＯ）からなる群から選択される二族酸化物と、０．０１重量％から０．１６重量％の量の少なくとも１つの四族酸化物であって、四族酸化物は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ 2 ）、二酸化チタン（ＴｉＯ 2 ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ 2 ）、および酸化ラザホジウム（ＲｆＯ 2 ）からなる群から選択される四族酸化物と、０．２５重量％から０．７５重量％の量のＳｉＯ2とを備えるセラミック粒子を設けるステップと、セラミック粒子を押し固めるステップと、セラミック粒子を焼結するステップとを備える。
発明の別の局面は、スパークプラグのためのセラミック材料から形成される絶縁体を作製する方法を提供し、方法は、セラミック材料の重量％で、９８．００重量％から９９．５０重量％の量の、Ｄ５０体積平均粒子径が１．２μｍから１．８μｍでありＤ９０体積粒子径が２．５μｍから６．０μｍのＡｌ2Ｏ3と、０．１６重量％から０．７０重量％の量の少なくとも１つの二族酸化物であって、二族酸化物は、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、および酸化ラジウム（ＲａＯ）からなる群から選択される二族酸化物と、０．０１重量％から０．１６重量％の量の少なくとも１つの四族酸化物であって、四族酸化物は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ 2 ）、二酸化チタン（ＴｉＯ 2 ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ 2 ）、および酸化ラザホジウム（ＲｆＯ 2 ）からなる群から選択される四族酸化物と、０．２５重量％から０．７５重量％の量のＳｉＯ2とを備えるセラミック粒子を設けるステップと、セラミック粒子を押し固めるステップと、セラミック粒子を焼結するステップと、セラミック粒子を予め定められた形状に成形するステップとを備える。
Claims (27)
- スパークプラグの絶縁体のためのセラミック材料であって、前記セラミック材料の重量パーセント（重量％）で、９８．００重量％から９９．５０重量％の量の酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と、０．１６重量％から０．７０重量％の量の二族アルカリ土類金属の少なくとも１つの酸化物（二族酸化物）と、０．２５重量％から０．７５重量％の量の二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）とを備える、セラミック材料。
- 前記Ａｌ2Ｏ3は、１．２μｍから１．８μｍのＤ５０体積平均粒子径を有する粒子から形成される、請求項１に記載のセラミック材料。
- 前記Ａｌ2Ｏ3は、２．５μｍから６．０μｍのＤ９０体積粒子径を有する粒子から形成される、請求項１に記載のセラミック材料。
- 前記Ａｌ2Ｏ3は、２．０ｍ2／ｇから５．０ｍ2／ｇの比表面積を有する粒子から形成される、請求項１に記載のセラミック材料。
- 前記少なくとも１つの二族酸化物は、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、および酸化ラジウム（ＲａＯ）のうち少なくとも１つを含む、請求項１に記載のセラミック材料。
- ０．０１重量％から０．１５重量％の量のＭｇＯを含む、請求項５に記載のセラミック材料。
- ０．１５重量％から０．５５重量％の量のＣａＯを含む、請求項５に記載のセラミック材料。
- ０．０１重量％から０．１６重量％の量の四族遷移金属の少なくとも１つの酸化物（四族酸化物）を含む、請求項１に記載のセラミック材料。
- 前記少なくとも１つの四族酸化物は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、二酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、および酸化ラザホジウム（ＲｆＯ2）のうち少なくとも１つを含む、請求項８に記載のセラミック材料。
- ０．０７重量％から０．１０重量％の量のＺｒＯ2およびＴｉＯ2を含む、請求項９に記載のセラミック材料。
- ０．０１重量％から０．１５重量％の量のＺｒＯ2を含む、請求項９に記載のセラミック材料。
- ０．０１重量％までの量のＴｉＯ2を含む、請求項９に記載のセラミック材料。
- ０．００６０重量％未満の量の一族アルカリ金属の少なくとも１つの酸化物（一族酸化物）を含む、請求項１に記載のセラミック材料。
- 前記少なくとも１つの一族酸化物は、酸化カリウム（Ｋ2Ｏ）、酸化ナトリウム（Ｎａ2Ｏ）、酸化リチウム（Ｌｉ2Ｏ）、酸化ルビジウム（Ｒｂ2Ｏ）、酸化セシウム（Ｃｓ2Ｏ）、および酸化フランシウム（Ｆｒ2Ｏ）のうち少なくとも１つを含む、請求項１３に記載のセラミック材料。
- ０．００６０重量％未満の量のＫ2ＯおよびＮａ2Ｏを含む、請求項１４に記載のセラミック材料。
- ０．５０重量％から２．０重量％の量のガラス相を含む、請求項１に記載のセラミック材料。
- 前記ガラス相は、前記Ａｌ2Ｏ3、前記二族酸化物、および前記ＳｉＯ2の少なくとも一部を含む、請求項１６に記載のセラミック材料。
- 前記ガラス相は、前記ガラス相の重量パーセントで、５．０重量％から５０．０重量％の量の前記Ａｌ2Ｏ3、２７．０重量％から５０．０重量％の量の前記ＳｉＯ2を含み、前記二族酸化物は、１５．０重量％から２４．０重量％の量のＣａＯおよび０．５重量％から７．７重量％の量のＭｇＯを含む、請求項１７に記載のセラミック材料。
- 前記Ａｌ2Ｏ3、前記二族酸化物、および前記ＳｉＯ2の少なくとも一部を備える二次結晶を含む、請求項１に記載のセラミック材料。
- 前記二次結晶は、ヘキサアルミン酸カルシウム（ＣａＡｌ12Ｏ19）スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、灰長石（ＣａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8）、およびムライト（Ａｌ6Ｓｉ2Ｏ13）のうち少なくとも１つを含む、請求項１９に記載のセラミック材料。
- ９８．８５重量％の量の前記Ａｌ2Ｏ3、０．４６重量％の量の前記二族酸化物、および０．６０重量％の量の前記ＳｉＯ2を含む、請求項１に記載のセラミック材料。
- 前記二族酸化物はＣａＯおよびＭｇＯを含み、前記セラミック材料は、９８．８５重量％の量の前記Ａｌ2Ｏ3、０．３９重量％の量の前記ＣａＯ、０．０７３重量％の量の前記ＭｇＯ、０．６０重量％の量の前記ＳｉＯ2、０．００４重量％の量のＴｉＯ2、０．０８重量％の量のＺｒＯ2、０．００３重量％の量のＫ2Ｏ、０．０００７重量％の量のＮａ2Ｏ、および０．００２７重量％の量のＰ2Ｏ5を含む、請求項１に記載のセラミック材料。
- 前記二族酸化物はＣａＯおよびＭｇＯを含み、前記セラミック材料は、９８．８０重量％の量の前記Ａｌ2Ｏ3、０．４６重量％の量の前記ＣａＯ、０．０３７重量％の量の前記ＭｇＯ、０．６２重量％の量の前記ＳｉＯ2、０．００５重量％の量のＴｉＯ2、０．０８重量％の量のＺｒＯ2、０．００４重量％の量のＫ2Ｏ、０．０００８重量％の量のＮａ2Ｏ、および０．００３１重量％の量のＰ2Ｏ5を含む、請求項１に記載のセラミック材料。
- スパークプラグのためのセラミック材料から形成される絶縁体であって、セラミック材料の重量パーセント（重量％）で、９８．００重量％から９９．５０重量％の量の酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と、０．１６重量％から０．７０重量％の量の二族アルカリ土類金属の少なくとも１つの酸化物（二族酸化物）と、０．２５重量％から０．７５重量％の量の二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）とを備える、絶縁体。
- セラミック材料から形成される絶縁体を含むスパークプラグであって、セラミック材料の重量パーセント（重量％）で、９８．００重量％から９９．５０重量％の量の、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と、０．１６重量％から０．７０重量％の量の二族アルカリ土類金属の少なくとも１つの酸化物（二族酸化物）と、０．２５重量％から０．７５重量％の量の二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）とを備える、スパークプラグ。
- スパークプラグの絶縁体のためのセラミック材料を作製する方法であって、
セラミック材料の重量パーセント重量％で、９８．００重量％から９９．５０重量％の量の、１．２μｍから１．８μｍの平均粒子径を有する酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と、０．１６重量％から０．６０重量％の量の二族アルカリ土類金属の少なくとも１つの酸化物（二族酸化物）と、０．２５重量％から０．７５重量％の量の二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）とを含むセラミック粒子を設けるステップと、
セラミック粒子を押し固めるステップと、
セラミック粒子を焼結するステップとを備える、方法。 - スパークプラグのためのセラミック材料から形成される絶縁体を作製する方法であって、
セラミック材料の重量パーセント重量％で、９８．００重量％から９９．５０重量％の量の、１．２μｍから１．８μｍの平均粒子径を有する酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と、０．１６重量％から０．６０重量％の量の二族アルカリ土類金属の少なくとも１つの酸化物（二族酸化物）と、０．２５重量％から０．７５重量％の量の二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）とを含むセラミック粒子を設けるステップと、
セラミック粒子を押し固めるステップと、
セラミック粒子を焼結するステップと、
セラミック粒子を予め定められた形状に成形するステップとを備える、方法。
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