JP3065145B2

JP3065145B2 - スパークプラグの絶縁碍子用焼成体

Info

Publication number: JP3065145B2
Application number: JP3325468A
Authority: JP
Inventors: 誠杉本; 宏之田辺; 守無笹; 雅弘小西
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1991-12-10
Filing date: 1991-12-10
Publication date: 2000-07-12
Anticipated expiration: 2015-07-12
Also published as: JPH05159859A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、窒化アルミニウムを使
用した、スパークプラグの絶縁碍子用焼成体に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、絶縁碍子に窒化アルミニウム
を使用して、熱引きを向上させたスパークプラグが知ら
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記ス
パークプラグは、熱間で絶縁碍子の絶縁性が低下し、ト
ラッキング（樹枝状痕的に表面が侵食される）が発生し
易いという欠点がある。種々実験の結果、発明者らは、
窒化アルミニウムにＭｇＯを含有させる事により、耐ト
ラッキング性が向上できる事を見出した。しかし、窒化
アルミニウムにＭｇＯを含有させた上記スパークプラグ
は、エンジンの高出力化や低燃費化（空燃比、圧縮比の
増大）に有利な様に放電電圧を増大（３０ｋＶ程度）さ
せると、以下の理由により火花貫通が発生し、失火が起
こった。脚長部表面、または脚長部内の軸孔内壁で高電
圧印加時に生じる高電界の為、表層部微小領域が分解
｛ＡｌＮ（固体）→Ａｌ（固体または液体）＋Ｎ₂／２
（気体）｝し、発生した金属Ａｌが更に電界を高めて、
遂には火花貫通（絶縁破壊）が発生する）。本発明の目
的は、スパークプラグに組み付けた場合、放電電圧を高
くしても火花貫通が発生しないとともに、熱伝導性に優
れた、窒化アルミニウム質焼結体を使用したスパークプ
ラグの絶縁碍子用焼成体の提供にある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する為、
本発明は、元素記号Ｙ、Ｓｃ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｌ
ａ、Ｃｅ、Ｐｙ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、及びＤｙで
表される元素群の中から任意に１種又は２種以上選ば
れ、酸化物換算が０．５重量％〜１５重量％である希土
類・アルカリ土類金属元素と、酸化物換算で０．００２
重量％〜５重量％のマグネシウムと、酸化物換算で０．
４重量％〜５重量％のアルミニウムと、残部を占める窒
化アルミニウムとで構成され、脚長部及び軸孔を有する
窒化アルミニウム質焼成体の、少なくとも、前記脚長部
の表面および脚長部内の軸孔内壁に、厚さ１０μｍ〜２
００μｍのＰＢＮ（パイロリティク・ボロン・ナイトラ
イド）を、熱分解を伴う化学蒸着法により膜付けした構
成を採用した。尚、酸化物換算は、窒化アルミニウム質
焼成体中に含有する酸素量を希土類・アルカリ土類金属
元素成分およびＭｇの酸化物分とし、残部をＡｌ₂Ｏ₃
として計算したものである。

【０００５】

【作用および発明の効果】分解温度が高く（約３０００
℃）、分解しても絶縁物（Ｂ₂Ｏ₃）を形成するＰＢＮ
が、熱分解を伴う化学蒸着法により膜付けされるので、
脚長部の表面および脚長部内の軸孔の内壁形状に沿って
低不純物の強固な被膜が形成でき、スパークプラグに組
み付けた場合の熱間における焼成体の絶縁性低下を防止
するとともに、火花貫通を防止する。尚、形成箇所の凹
凸の存在により、ＰＢＮの膜厚が１０μｍ未満であると
膜厚の薄い部分で絶縁破壊が起き易く、また、ＰＢＮ被
膜とＡｌＮとの間には熱膨張差があるので、ＰＢＮ被膜
が２００μｍを越えると被膜剥離が起き易くなる。希土
類・アルカリ土類金属元素、Ｍｇ、Ａｌの何れかの、酸
化物換算値がひとつでも指定範囲内に無いと、熱間の絶
縁抵抗が低くなり、ＰＢＮ被膜を膜付けしても、ＡｌＮ
とＰＢＮ間で電界が強められ、ＰＢＮ被膜の効果が出な
い。希土類・アルカリ土類金属元素またはＡｌの酸化物
換算値が指定範囲の上限を越えると、熱伝導率が８０Ｗ
／ｍ・ｋ以下に低下して、スパークプラグに組み付け時
にワイドレンジ化が図れなくなる。また、下限を下回る
と焼結性に劣る様になる。

【０００６】

【実施例】本発明の構成を採用したスパークプラグＡ
は、図２に示す如く、窒化アルミニウム質焼成体１の、
外周表面１１および軸孔１２の内壁１２１に、ＰＢＮ
（ＰｙｒｏｌｉｔｉｃＢｏｒｏｎＮｉｔｒｉｄｅ）
被膜２を、熱ＣＶＤ法により膜付けしてなる。また、３
は主体金具、３１は側方電極、４は中心電極、４１は抵
抗材、４３は導電性ガラスシール材、４２は端子電極で
ある。

【０００７】つぎに、窒化アルミニウム質焼成体１を製
造する際に用いる原料を説明する。〔ＡｌＮ〕平均粒径１．５μｍ、酸素含有量０．８重量
％（Ａｌ₂Ｏ₃還元窒化法による）のものを使用した。〔希土類、アルカリ土類金属〕Ｙ成分としてＹ₂Ｏ
₃（酸化イットリウム）、Ｃａ成分としてＣａＣＯ
₃（炭酸カルシウム）、Ｌａ成分としてＬａ₂Ｏ₃（酸
化ランタン）、Ｓｒ成分としてＳｒＣＯ₃（炭酸ストロ
ンチウム）を用いた。尚、純度は全て９９．９％、平均
粒径は全て５μｍ以下である。〔Ｍｇ〕Ｍｇ成分として、純度９９．９％、平均粒径１
μｍ〜２μｍのＭｇＯを使用した。〔Ａｌ₂Ｏ₃〕実施例Ｎｏ．４、５、６、８、１０、１
３については、ＡｌＮ中の含有酸素により生成されるＡ
ｌ₂Ｏ₃とは別に、調合時にＡｌ₂Ｏ₃を０．３重量％
〜５重量％の範囲で添加した。尚、これらＡｌ₂Ｏ
₃は、焼成時に、その内の１０重量％〜３０重量％が消
失する。

【０００８】上記原料を用い、テストピース（円盤形）
を以下の様にして製造し、熱間絶縁抵抗（７００℃）お
よび熱伝導率を測定した。ＡｌＮ、Ｙ₂Ｏ₃等（希土類・アルカリ土類金属元素
の酸化物）、ＭｇＯを各所定量添加し、エタノール中で
混合する。尚、試料Ｎｏ．４、５、６、８、１０、１３
については、調合時に、ＡｌＮ、Ｙ₂Ｏ₃等、ＭｇＯに
加え、Ａｌ₂Ｏ₃も添加する。混合後、乾燥させ、揮発分を除去した後、粉砕する。上記粉砕体を金型プレス成形（圧力１０００ｋｇ／ｃ
ｍ²）し、φ５０×３．０ｔの大きさにする。バインダー等を抜く為、５００℃で酸化仮焼きする。１ａｔｍ（窒素ガス雰囲気）、１７００℃〜１８５０
℃で、２時間〜５時間焼成する。得られた焼成体をφ４０×１．０ｔの大きさに研磨
し、テストピース（円盤形）となる。このテストピース
の熱間絶縁抵抗（７００℃）の測定結果、およびテスト
ピースの中のＹ₂Ｏ₃等、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃の各酸化
物換算量を分析した結果を表１に示す。

【０００９】

【表１】

【００１０】熱間絶縁抵抗（７００℃）は、図１に示す
試験装置で測定した。１００、２００は真銅製の電極、
３００は炉内を７００℃にする電気ヒータ、４００は直
流１０００Ｖを印加して熱間（７００℃）のテストピー
ス（円盤形）の電気抵抗を測定する絶縁抵抗計である。
なお、他の実験により、７００℃におけるテストピース
の絶縁抵抗値が５０ＭΩ以上であればスパークプラグの
絶縁碍子として充分使用できることが確認されている。
酸化物換算の分析に関し、Ｍｇについては、ＩＣＰ発火
分光分析、Ｙ₂Ｏ₃等やＡｌについては蛍光Ｘ線（検量
線法を使用）、酸素については放射化分析により、夫々
測定した。表１における、Ｙ₂Ｏ₃等、ＭｇＯ、Ａｌ₂
Ｏ₃（α- Ａｌ ₂Ｏ₃は検出せず）は、酸素分析の値と
Ｙ₂Ｏ₃等の値から計算により求めたものである。又、
ＡｌＮは、全体から全酸化物量を差し引くことにより求
めた。

【００１１】さらに、テストピース（プラグ形）を以下
の様に製造し、スパークプラグとして組み付けた後、エ
ンジン試験を行った。｛１｝テストピース（プラグ形）の方は、円盤形のテス
トピースの状態で、熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・ｋ以上で、
且つ、熱間絶縁抵抗（７００℃）を５０ＭΩ以上にする
ことができた試料Ｎｏ．１〜８のテストピースの内、試
料Ｎｏ．２、４、７、８と同一の材料を用いた。尚、比
較として試料Ｎｏ．１２、１４の材料も用いた。｛２｝原料粉末に、エタノールとパラフィン系バインダ
ーとを適量添加した後、スプレードライして造粒し、こ
れをラバープレス（圧力１０００ｋｇ／ｃｍ²）する。｛３｝この成形体に、、を行い、脚長部１３及び軸
孔１２を有する窒化アルミニウム質焼成体１を製造す
る。｛４｝減圧（１０^-1Ｔｏｒｒ）中、ＢＣｌ₃ガスおよび
ＮＨ₃ガスを炉内に流入させ、熱ＣＶＤ法により、１９
００℃で焼成体１の外周表面１１および軸孔１２の内壁
１２１に、ＰＢＮ被膜２が１０μｍ〜２００μｍとなる
様に膜付け（図２に示す）する。尚、ＰＢＮ被膜２は、
少なくとも、脚長部１３の表面および脚長部１３内の軸
孔内壁１２１に膜付けされていれば良い。そして、ＰＢ
Ｎ被膜２の厚さは、ＰＢＮ被膜２を膜付けした絶縁碍子
１０を切断し、電子顕微鏡で観察して確認した。尚、比
較の為、ＰＢＮ被膜２の厚さの範囲を外したものも製造
した。｛５｝試料Ａ〜Ｉの絶縁碍子１０の軸孔１２内に、中心
電極４を導電性ガラスシール材４３を用い、抵抗材４
１、端子電極４２とともに挿設し、スパークプラグとし
て組み付ける。｛６｝エンジン試験は、レシプロエンジンを用い、放電
電圧３２ｋＶ、５０００ｒ．ｐ．ｍ×全開、１００Ｈｒ
耐久で行った。

【００１２】つぎに、本実施例の効果を述べる。（ア）Ｙ₂Ｏ₃等（希土類・アルカリ土類金属元素の酸
化物）、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃の酸化物換算が指定範囲内
にある、試料Ｎｏ．１〜８のテストピース（円盤形）
は、熱伝導率を８０Ｗ／ｍ・ｋ以上で、且つ、熱間絶縁
抵抗（７００℃）を５０ＭΩ以上にする事ができた。一
方、Ｙ₂Ｏ₃等が０．５重量％未満のもの（試料Ｎｏ．
９、１０）、ＭｇＯが０．００２重量％未満または５重
量％を越えるもの（試料Ｎｏ．１２、１４）は、熱間絶
縁抵抗が低下した。また、Ｙ₂Ｏ₃等が５重量％を越え
るもの（試料Ｎｏ．１１）やＡｌ₂Ｏ₃が５重量％を越
えるもの（試料Ｎｏ．１３）は、熱伝導率が８０Ｗ／ｍ
・ｋ以下になり（但し、熱間絶縁抵抗値は高い）、これ
らは、スパークプラグの絶縁碍子として不適であること
が判明した。（イ）テストピース（円盤形）の状態で、熱伝導率が８
０Ｗ／ｍ・ｋ以上、且つ、熱間絶縁抵抗（７００℃）を
５０ＭΩ以上にする事ができた、試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．
８の内、試料Ｎｏ．２、４、７、８を使用して製造した
プラグ形のテストピース（試料Ａ〜Ｇ）の内、焼成体１
の外周表面１１および軸孔内壁１２１に、ＰＢＮ被膜２
を１０μｍ〜２００μｍの範囲内に膜付けしたもの（試
料Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｆ、Ｇ）は、表２に示す如く、エンジン
試験で不具合無く使用でき、かつ試験後の発火部外観に
異常は見られなかった。

【００１３】

【表２】

【図面の簡単な説明】

【図１】テストピース（円盤形）の熱間絶縁抵抗を測定
する試験装置の説明図である。

【図２】本発明の絶縁碍子用焼成体を組み付けたスパー
クプラグの半断面図である。

【符号の説明】

Ａスパークプラグ１窒化アルミニウム質焼成体２ＰＢＮ被膜（ＰＢＮ）１０絶縁碍子（絶縁碍子用焼成体）１１外周表面（表面）１２軸孔１３脚長部１２１内壁（軸孔内壁）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小西雅弘名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内 (56)参考文献特開平２−152185（ＪＰ，Ａ) 特開平２−27684（ＪＰ，Ａ) 特開平４−87286（ＪＰ，Ａ) 特開平４−149985（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−163582（ＪＰ，Ａ) 特開平３−237067（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−219787（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01T 13/00 - 13/56 C04B 41/87

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】元素記号Ｙ、Ｓｃ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、
Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｙ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、及びＤｙ
で表される元素群の中から任意に１種又は２種以上選ば
れ、酸化物換算が０．５重量％〜１５重量％である希土
類・アルカリ土類金属元素と、酸化物換算で０．００２重量％〜５重量％のマグネシウ
ムと、酸化物換算で０．４重量％〜５重量％のアルミニウム
と、残部を占める窒化アルミニウムとで構成され、脚長部及
び軸孔を有する窒化アルミニウム質焼成体の、少なくと
も、前記脚長部の表面および脚長部内の軸孔内壁に、厚
さ１０μｍ〜２００μｍのＰＢＮ（パイロリティク・ボ
ロン・ナイトライド）を、熱分解を伴う化学蒸着法によ
り膜付けしたスパークプラグの絶縁碍子用焼成体。