JP4544597B2

JP4544597B2 - スパークプラグ

Info

Publication number: JP4544597B2
Application number: JP2000133028A
Authority: JP
Inventors: 博人伊藤; 健二布目
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2000-05-01
Filing date: 2000-05-01
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2020-05-01
Also published as: JP2001313148A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関における混合気への着火源として使用されるスパークプラグに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車エンジン等の内燃機関に使用されるスパークプラグでは、スパークプラグ用絶縁体（以下、単に「絶縁体」ともいう）として、従来より、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）系材料を焼成したアルミナ基焼結体により形成されている。その理由としては、アルミナが耐熱性及び機械的強度、さらには耐電圧特性に優れていることが挙げられる。なお、従来より、このアルミナ基焼結体から構成される絶縁体を形成するにあたっては、焼成温度の低減を目的として、例えば酸化珪素（ＳｉＯ_２）−酸化カルシウム（ＣａＯ）−酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる三成分系が焼結助剤として用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種の絶縁体は、内燃機関の燃焼室内にて生じる火花放電による高温の燃焼ガス（約２０００℃〜３０００℃）の影響により、５００〜７００℃程度の熱間に曝されるものである。そのために、絶縁体は、室温から上記高温にわたり優れた耐電圧特性を有することが望まれる。とりわけ、近年では、内燃機関の高出力化やエンジンの小型化に伴い、燃焼室内における吸気及び排気バルブの占有面積の大型化や４バルブ化が検討されており、スパークプラグ自体が小型化（小径化）される傾向にある。そのために、絶縁体の肉厚は薄肉化される傾向にあり、絶縁体としては７００℃程度の熱間に曝されたときにも耐電圧特性に一層優れるものが要求されるようになってきている。
【０００４】
しかしながら、上述のように三成分系の焼結助剤を用いて絶縁体を形成した場合には、この三成分系の焼結助剤（主にＳｉ成分）が、焼結後にアルミナ結晶粒子の粒界に低融点ガラス相として存在してしまい、絶縁体が７００℃程度の熱間に曝されると、該低融点ガラス相が軟化して耐電圧特性の低下につながってしまう。そこで、低融点ガラス相を減少させべく、単にこれらの焼結助剤の添加量を低減して絶縁体を形成することも考えられるが、絶縁体の緻密化が進行しなかったり、あるいは一見緻密化が進行していてもアルミナ結晶粒子により構成される粒界に多数の気孔が残留してしまい、これらが原因となって耐電圧特性の低下につながってしまう。
【０００５】
そして、このように絶縁体の耐電圧特性が低下することがあると、絶縁体が７００℃程度の熱間に曝され、かつスパークプラグを火花放電させるべく数十ｋＶの高電圧が印加されたときに、粒界に存在する残留気孔に電界が集中してしまったり、あるいは粒界相が軟化してしまったりして、絶縁体にて火花貫通（絶縁破壊）が生じるおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明は、肉厚が薄肉化される絶縁体であっても、７００℃程度の高温下における耐電圧特性を十分に有し、且つ火花貫通の発生を抑制し、ひいては小型化の要求に応えることが可能なスパークプラグを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段、及び作用・効果】
前記課題を解決するための本発明のスパークプラグは、自身の軸線方向に貫通孔を有する絶縁体と、前記絶縁体の径方向周囲を取り囲む主体金具と、前記絶縁体の貫通孔に固定される中心電極と、前記中心電極との間に火花放電ギャップを形成する１又は複数の接地電極とを備えたスパークプラグであって、
前記主体金具の内周面には、前記絶縁体を係合するための金具側係合部が内向きに突出して形成されており、
前記絶縁体は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分として前記絶縁体を１００質量％中としたときに８０．５〜９９．７質量％含有し、ケイ素（Ｓｉ）成分と、カルシウム（Ｃａ）成分もしくはマグネシウム（Ｍｇ）成分のうち少なくとも一方が含有されるとともに、前記ケイ素成分、前記カルシウム成分及び前記マグネシウム成分の各成分の含有量を酸化物換算にてそれぞれＳ（単位：質量％）、Ｃ（単位：質量％）及びＭ（単位：質量％）としたときに、
Ｓ／（Ｓ＋Ｃ＋Ｍ）≧０．７を満足し、
さらに、少なくとも１種以上の希土類元素（以下、ＲＥ．と表す）成分を含有して構成され、当該絶縁体の軸線方向において前記火花放電ギャップの位置する側を前方側、これと反対側を後方側として、最も前方側に脚長部が形成される一方、前記金具側係合部に係合される中胴部が前記脚長部の後方側に隣接して形成されており、さらに、前記絶縁体の脚長部の基端外径をＡ、前記主体金具の金具側係合部の最小内径をＢ、前記脚長部内における貫通孔の内径をＣとしたときに、
Ｂ−Ａ≦２．０ｍｍ、かつ、０．４ｍｍ≦（Ａ−Ｃ）／２≦２．０ｍｍ
を満足することを特徴とする。
【０００８】
一般的に、スパークプラグに備えられる絶縁体においては、図３に示すように、最も前方側（図中下方）に脚長部２ｉが形成されており、それよりも後方側に隣接した形で、主体金具４に形成された金具側係合部４ｃに係合される中胴部２ｇが形成される。ここで、絶縁体２の耐電圧特性については肉厚と相関があることが確認されているが、耐電圧特性の不足により生じる絶縁体２での火花貫通（絶縁破壊）は、主体金具４の金具側係合部４ｃと、その金具側係合部４ｃと対向する位置関係にある脚長部２ｉとの間の距離が最も狭くなる当該脚長部２ｉにて生じ易いことが知られている。
【０００９】
とりわけ、絶縁体２の脚長部２ｉの基端外径をＡ、前記主体金具４の金具係合部４ｃの最小内径Ｂとし、Ｂ−Ａ≦２．０ｍｍであるときには、上述の金具側係合部４ｃと脚長部２ｉとの間の距離が最も狭い部分近傍において電界強度が高くなり、絶縁体２（脚長部２ｉ）での火花貫通の発生確率が高くなる。他方、この火花貫通の発生確率は、上述したように絶縁体２（脚長部２ｉ）の肉厚とも相関がある。但し、近年ではスパークプラグの小型化の要求に伴い、絶縁体の肉厚を薄肉化することが検討され、具体的には絶縁体２の脚長部２ｉの基端外径をＡ、脚長部２ｉ内における貫通孔６ａの内径をＣとしたときに、（Ａ−Ｃ）／２≦２．０ｍｍにまで薄肉化することが検討されている。その結果、従来のように主成分であるアルミナに対して、単に三成分系の焼結助剤を用いて絶縁体が構成されたのでは、絶縁体（脚長部）が７００℃以上といった高温下に晒されると、上述の金具側係合部と脚長部との間の距離が最も狭い当該脚長部にて火花貫通が生じる確率が高くなってしまう。
【００１０】
そこで、本発明においては、アルミナを主成分にして構成される絶縁体に、少なくとも１種以上のＲＥ．成分を含有させることによって、７００℃程度の高温下における耐電圧特性が顕著に向上し、ひいては脚長部と金具側係合部との間での火花貫通（絶縁破壊）が生じにくくなり、ひいては小型で絶縁体の肉厚が薄いスパークプラグを提供することができる。
原料粉末を構成するアルミナ粉末としては、焼成後のアルミナ基焼結体１００質量％中に、Ａｌ成分の酸化物換算にて、８０．５〜９９．７質量％の範囲内となるように適宜調製されることが良好な耐電圧特性を得る上で好ましい。
【００１１】
ＲＥ．成分としては、周期律表第３ａ族のＳｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、及び、Ｌａ（ランタン）からＬｕ（ルテチウム）までのランタノイド元素が挙げられ、いずれの成分についても絶縁体中に含有されることにより、７００℃の高温下における耐電圧特性の向上を図ることができる。ＲＥ．成分を含有させることにより耐電圧特性が向上する理由としては、アルミナ結晶粒子により構成される粒界に、ＲＥ．成分を有する粒界相が生成され、粒界相の融点が向上するものと考えられる。
本発明のスパークプラグは、絶縁体に主成分であるアルミナ、及びＲＥ．成分を含有する他に、ケイ素（Ｓｉ）成分と、カルシウム（Ｃａ）成分若しくはマグネシウム（Ｍｇ）成分のうち少なくともいずれかを含有して絶縁体を構成する。そして、この場合にはケイ素成分（Ｓ：単位は質量％）、カルシウム成分（Ｃ：単位は質量％）、マグネシウム成分（Ｍ：単位は質量％）の酸化物換算した各成分の総計に対するケイ素成分の割合を重量基準で、Ｓ／（Ｓ＋Ｃ＋Ｍ）≧０．７の関係式を満たす。
前記三成分系の各成分は、絶縁体中に含有されることにより焼成時に各成分が溶融して液相を生じ、絶縁体（アルミナ基焼結体）の緻密化を促進する焼結助剤として機能することから、絶縁体の緻密化を図る上で効果的である。ただし、前記Ｓｉ成分は緻密化を促進する焼結助剤として機能する一方、アルミナ結晶相粒子の粒界にて低融点ガラス相として存在するものである。しかし、本発明では前記三成分系の成分が含有されるときにも、Ｓｉ成分の割合を前記関係式のように調整することにより、絶縁体の７００℃程度の高温下における耐電圧特性の向上効果を得ることができる。この理由としては、絶縁体（アルミナ基焼結体）中のアルミナ結晶粒子の粒界における低融点ガラス相を構成するＳｉ成分が、本発明の必須成分であるＲＥ．成分と相俟ってＲＥ．−Ｓｉからなるガラス相といった高融点相を生成し、粒界相の融点を向上させるものと考えられる。
なお、前記関係式としては、０．９５≧Ｓ／（Ｓ＋Ｃ＋Ｍ）≧０．７５を満たすことがより好ましい。この関係式の範囲内でＳｉ成分の割合を調整することで、Ｓｉ成分がＲＥ．成分と相俟って高融点結晶相を生成するとともに、融点が１９００℃近傍といったムライト（Ａｌ _６Ｓｉ _２Ｏ _１３）結晶相を生成させることが可能となる。それにより、７００℃程度の高温下における絶縁体の耐電圧特性をより向上させることができる。なお、絶縁体におけるムライト結晶相の存在箇所は特には限定されるものではなく、絶縁体（アルミナ基焼結体）の内部に存在することが好ましく、さらにはアルミナの二粒子粒界及び／又は三重点に存在することがより好ましい。
【００１２】
但し、上述の（Ａ−Ｃ）／２の値が０．４ｍｍを下回ると、ＲＥ．成分が含有される場合にも絶縁体（脚長部）自身の肉厚が薄すぎて、耐電圧特性の効果を十分に発揮することができなくなる。また、上述の（Ｂ−Ａ）の下限の値としては、理論上０ｍｍでもよいが、絶縁体と主体金具との組付け容易性等を考慮すると、０ｍｍより大きい値をとることが通常である。
【００１３】
なお、図３を援用して示すように、通常、絶縁体２の中胴部２ｇと脚長部２ｉとは段付面とされた接続部２ｈを介して接続され、この接続部２ｈが主体金具４に形成される金具側係合部４ｃに対して係合する（具体的には、環状の板パッキン１１を介して係合する）。ここで、本明細書においては、この接続部２ｈは中胴部２ｇに属するものとして扱う。また、この接続部２ｈよりも前方側に隣接する部分を脚長部２ｉとして扱う。そして、絶縁体２の軸線Ｏを含む縦断面をとったときに、脚長部２ｉの外周側面を延長した第１仮想線２１と、接続部２ｈの外周面を延長した第２仮想線２２とし、この第１仮想線２１と第二仮想線２２との交点２３を脚長部の「基端」として定義し、この基端における径を「脚長部の基端外径Ａ」とする。なお、「脚長部の基端外径Ａ」は、例えば投影機を使用することで、「主体金具の金具側係合部の最小内径Ｂ」は、例えばピンゲージを使用することで測定することができる。さらに、「脚長部内における貫通孔の内径Ｃ」は、上記定義した脚長部の「基端」における貫通孔の内径を指すものとし、この貫通孔の内径Ｃは、例えばホールテスト（内側マイクロメーター）を使用することで測定することができる。
【００１４】
次に、本発明のスパークプラグにあっては、絶縁体に含有されるＲＥ．成分は、酸化物換算にて０．０１〜１８質量％の範囲内にあることが、７００℃程度の高温下における耐電圧特性の向上を効果的に得る上で好ましい。
【００１５】
そして、絶縁体に含有されるＲＥ．成分としては、ランタン（Ｌａ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）成分のうちの１種以上からなることが好ましい。
【００１６】
これらＬａ、Ｐｒ、Ｎｄ成分は、３価のイオンのイオン半径が他のＲＥ．成分（ＲＥ．元素）と比較して小さいことから、融点２０００℃近傍といったＲＥ．−β−アルミナ構造の結晶相（以下、単に「ＲＥ．−β−アルミナ結晶相」ともいう）を絶縁体（アルミナ基焼結体）中に生成させることが可能となる。そして、この結晶相の生成により、絶縁体は７００℃程度の高温下における耐電圧特性をより向上させることが可能となる。絶縁体におけるＲＥ．−β−アルミナ結晶相の存在箇所は特には限定されるものではないが、絶縁体（アルミナ基焼結体）の内部にまで存在することが好ましく、さらにはアルミナの二粒子粒界及び／又は三重点に存在することがより好ましい。
【００１７】
なお、Ｐｒ及びＮｄ成分に関しては、Ｌａ成分とは異なりＲＥ．−β−アルミナのＪＣＰＤＳカードが存在しないために、Ｘ線回折による同定は直接的には不可能である。しかし、Ｐｒ^３＋及びＮｄ^３＋のイオン半径がＬａ^３＋とほぼ同等であることから、Ｐｒ及びＮｄ成分については、Ｌａ−β−アルミナのＪＣＰＤＳカード（Ｎｏ．３３−６９９）と類似したＸ線回折スペクトルを示すものである。このＲＥ．−β−アルミナ結晶相は、ＲＥ．−β−アルミナを原料粉末として予め添加することもできるが、この場合には焼成時に粒成長の異方性が大きいことから焼結体の緻密化が阻害されるおそれがある。このため、前記結晶相は焼成時に生成させることが好ましい。
【００１８】
ここで、ＲＥ．−β−アルミナ結晶相の有無は、絶縁体自身の軸線との直交断面をとり、その断面組織のＸ線回折を行い、ＪＣＰＤＳカードＮｏ．３３−６９９、Ｎｏ．１５−７７６に相当するスペクトルが存在するか否かにより判断することができる。図２に、一例としてＮｄ−β−アルミナ結晶相（Ａｌ_１１ＮｄＯ_１８）のＸ線回折チャートを示す。なお、ＲＥ．−β−アルミナ結晶相が絶縁体中に存在するときにも、例えば極少量の割合のためにＸ線回折にて明確にスペクトルとして現れない場合があるが、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ成分のうちの１種以上が絶縁体に含有されることによる耐電圧特性の向上効果を期待することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の幾つかの実施の形態を図面を用いて説明する。
図１に示す本発明の一例たるスパークプラグ１００は、軸状に延びる中心電極３と、この中心電極３の径方向周囲を覆うように配置された絶縁体２と、その絶縁体２を保持する主体金具４とを有する。この主体金具４は例えば炭素鋼により形成され、先端側４ａに接地電極５の一端５ａが溶接等により固着されている。
そして、この接地電極５の他端側は、中心電極４ａの先端面に向かって延び、略Ｌ字状に曲げ返され、中心電極３（先端側中心電極３ａ）と所定の火花放電ギャップｇを形成している。
【００２３】
本発明の主要部である絶縁体２には、自身の軸線Ｏの方向に貫通孔６が形成されている。以下、絶縁体２の軸線Ｏの方向において火花放電ギャップｇの形成される側を前方側、これと反対側を後方側とする。そして、絶縁体２の後端部側に端子電極７が挿入・固定され、前方側に中心電極３が挿入・固定されている。また、この貫通孔６内において端子電極７と中心電極３との間にはセラミック抵抗体８が配置されている。このセラミック抵抗体８の両端部は、導電性ガラス層９、１０を介して中心電極３と端子電極７にそれぞれ電気的に接続されている。なお、セラミック抵抗体８は、ガラス粉末と導電材料粉末（及び必要に応じてガラス粉末以外のセラミック粉末）とを混合して、ホットプレス等により焼結して得られる抵抗体組成物により形成される。また、このセラミック抵抗体８を省略し、一層の導電性ガラスシール層により中心電極３と端子電極７とを一体化した構成としてもよい。
【００２４】
絶縁体２は、全体が本発明の絶縁材料により構成され、具体的にはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とし、少なくとも１種以上のＲＥ．成分を酸化物換算にて０．０１〜１８質量％含有する絶縁材料から構成されている。
【００２５】
さらに、絶縁体２は、図１に示すように、絶縁体２の軸線Ｏの方向中間には、周方向外向きに突出する突出部２ｅがフランジ状に形成されている。そして、絶縁体２には、突出部２ｅよりも後方側がこれよりも細径に形成された本体部２ｂとされている。一方、突出部２ｅの前方側にはこれよりも細径の中胴部２ｇと、その中胴部２ｇよりもさらに細径の脚長部２ｉが隣接して形成されている。なお、本体部２ｂの外周面には釉薬２ｄが施され、当該外周面の後端部にはコルゲーション２ｃが形成されている。絶縁体２の軸線Ｏの方向において最も前方側に位置する脚長部２ｇの外周面は前端に向かうほど縮径する略円錐状とされている。
【００２６】
ついで、絶縁体２の貫通孔６は、中心電極３を挿通させる略円筒状の第一部分６ａと、その第一部分６ａの後方側（図中上方側）においてこれよりも大径に形成される略円筒状の第二部分６ｂとを有する。図１に示すように、端子電極７とセラミック抵抗体８は第二部分６ｂ内に収容され、中心電極３は第一部分６ａ内に挿通される。中心電極３の後端部には、その外周面から外向きに突出して電極固定用凸部３ａが形成されている。そして、この貫通孔６の第一部分６ａと第二部分６ｂとは、第一軸部内において互いに接続しており、その接続位置には、中心電極３の電極固定用凸状部３ｂを受けるための凸部受け面６ｃがテーパ面あるいはＲ面状に形成されている。なお、貫通孔６の第一部分６ａと第二部分６ｂとの接続位置は、主体金具４の金具側係止部よりも後方側に位置するものである。
【００２７】
また、中胴部２ｇと脚長部２ｉとの接続部２ｈの外周面は段付面状とされ、この面が主体金具４の内面に形成された金具側係合部４ｃに対して環状の板パッキン１１を介して係合することにより、絶縁体２の軸方向前方側への抜止めがなされている。なお、本明細書において、この接続部２ｈは中胴部２ｇに属するものとして扱う。他方、主体金具４の後方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２ｅの後方側周縁と係合する環状の線パッキン１２が配置され、そのさらに後方側に粉末滑石１３を介して環状の線パッキン１４が配置されている。そして、絶縁体２を主体金具４に向けて前方側に押し込み、その状態で主体金具４の開口縁を線パッキン１４に向けて内側にＲ状にカシメることにより、カシメ部４ｂが形成され、主体金具４が絶縁体２に対して固定される。
【００２８】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、絶縁体２の幾つかの例を示すものである。その各部の寸法は、以下に例示する。
・全長Ｌ１：３０〜７５ｍｍ。
・中胴部２ｇの長さＬ２：０〜３０ｍｍ（但し、突出部２ｅとの接続部２ｆを含まず、第二軸部２ｉとの接続部２ｈを含む）。
・脚長部２ｉの長さＬ３：２〜２７ｍｍ。
・本体部２ｂの外径Ｄ１：９〜１３ｍｍ。
・突出部２ｅの外径Ｄ２：１１〜１６ｍｍ。
・中胴部２ｇの外径Ｄ３：５〜１１ｍｍ。
・脚長部２ｉの基端（後端部）外径Ｄ４（但し、軸線Ｏを含む縦断面において、脚長部２ｉの外周側面を延長した第一仮想線と、中胴部２ｇの接続部２ｈを延長した第二仮想線との交点における外径を指す）：３〜８ｍｍ。
・脚長部２ｉの前端部外径Ｄ５（但し、前端面外周縁にＲないし面取りが施される場合は、軸線Ｏを含む縦断面において、そのＲ部ないし面取り部の基端位置における外径を指す）：２．５〜７ｍｍ。
・貫通孔６の第二部分６ｂの内径Ｄ６：２〜５ｍｍ。
・貫通孔６の第一部分６ａの内径（脚長部２ｉの基端における内径）：Ｄ７：１〜３．５ｍｍ。
・中胴部２ｇの肉厚ｔ１：０．５〜４．５ｍｍ。
・脚長部２ｉの基端（後端部）の肉厚ｔ２（軸線Ｏと直交する向きにおける値；但し、軸線Ｏを含む縦断面において、上記脚長部の基端外径をＡ、脚長部内における貫通孔（第一部分）６ａの内径をＣとしたときの（Ｃ−Ａ）／２の値）：０．４〜２．０ｍｍ。
・脚長部２ｉの先端部肉厚ｔ３（軸線Ｏと直交する向きにおける値；但し、先端面外周縁にＲないし面取りが施される場合は、軸線Ｏを含む縦断面において、該Ｒ部ないし面取り部の基端位置における肉厚を指す）：０．２〜１．５ｍｍ。
【００２９】
なお、図２（ａ）に示す絶縁体２における前記各部の寸法は、例えば以下の通りである：Ｌ１＝約６０ｍｍ、Ｌ２＝約１０ｍｍ、Ｌ３＝約１４ｍｍ、Ｄ１＝約１１ｍｍ、Ｄ２＝約１３ｍｍ、Ｄ３＝約７．３ｍｍ、Ｄ４＝５．３ｍｍ、Ｄ５＝約４．３ｍｍ、Ｄ６＝３．９ｍｍ、Ｄ７＝２．６ｍｍ、ｔ１＝１．７ｍｍ、ｔ２＝１．３ｍｍ、ｔ３＝０．９ｍｍ。
【００３０】
また、図２（ｂ）に示す絶縁体２は、中胴部２ｇ及び脚長部２ｉがそれぞれ、図２（ａ）に示すものと比較してやや大きい外径を有している。各部の寸法としては、例えば以下の通りである：Ｌ１＝約６０ｍｍ、Ｌ２＝約１０ｍｍ、Ｌ３＝約１４ｍｍ、Ｄ１＝約１１ｍｍ、Ｄ２＝約１３ｍｍ、Ｄ３＝約９．２ｍｍ、Ｄ４＝６．８ｍｍ、Ｄ５＝約５．１ｍｍ、Ｄ６＝３．９ｍｍ、Ｄ７＝２．８ｍｍ、ｔ１＝２．７ｍｍ、ｔ２＝２．０ｍｍ、ｔ３＝１．２ｍｍ。
【００３１】
ついで、この絶縁体２は、例えば下記のような方法で製造される。まず、原料粉末として、バイヤー法により得られたアルミナ粉末（平均粒径２．０μｍ以下）と、ケイ素（Ｓｉ）成分、カルシウム（Ｃａ）成分、マグネシウム（Ｍｇ）成分の各無機系粉末と、さらにＲＥ．成分系粉末を添加した上で配合し、親水性結合剤（例えば、ポリビニルアルコール）と溶媒としての水とを添加・混合して成形用素地スラリーを調製する。
【００３２】
ここで、原料のアルミナ粉末としては、Ｎａ成分の含有量が酸化物換算にて０．０７質量％以下のものを使用するのがよい。これにより、得られる絶縁体２に含有されるＮａ成分の含有量が酸化物換算にて０．０５質量％以下（Ｎａ成分の一部は焼成時に焼失することがある）となる。絶縁体２中に含有されるＮａ成分の含有量（酸化物換算した含有量）が０．０５質量％を超えると、Ｎａイオンによるイオン伝導性の影響から５００℃以上の高温下における耐電圧特性が低下するおそれがある。従って、Ｎａ成分の含有量を上記範囲とすることで、ＲＥ．成分含有による耐電圧特性の向上効果を有効に維持することができる。他方、Ｎａ成分は理論的には０質量％が望ましいが、アルミナは通常バイヤー法にて精製される関係上、極微量（ナノオーダーレベル）のＮａ成分が不可避的に含有されてしまう。なお、アルミナ粉末中のＮａ成分の含有量を酸化物換算にて０．０７質量％以下とするには、バイヤー法により精製されたアルミナ（バイヤーアルミナ）が所定のＮａ成分の含有量となるまで、脱ソーダ処理を繰り返すことにより調整可能である。
【００３３】
原料粉末の主成分であるアルミナ粉末は、その平均粒径が２μｍ以下のものを使用するのがよい。平均粒径が２μｍを超えると、焼結体自体の緻密化を十分に進行させることが困難となりがちで、絶縁体２の耐電圧特性の低下につながってしまうことがある。ここで、緻密化された絶縁体２としては、理論密度比が９５％以上であることが好ましい。このような理論密度比を満たすことにより、アルミナ結晶粒界に存在する電界が集中し易い残留気孔を低減させ、ＲＥ．成分含有による耐電圧特性の向上効果を有効に維持することができる。なお、「理論密度」とは、焼成後の絶縁体（アルミナ基焼結体）を構成する各元素成分の含有量を酸化物に換算し、各酸化物の含有量から混合則によって算出される密度のことをいう。ここでいう「理論密度比」とは、アルキメデス法によって測定された焼結体密度の前記理論密度に対する割合を示すものである。
【００３５】
一方、ＲＥ．成分系粉末は、焼成時にＲＥ．成分の酸化物に転化できる物質である限りその種類に特に制限はなく、例えばＲＥ．成分の酸化物、及びその複合酸化物等の粉末を挙げることができる。なお、添加されるＲＥ．成分系粉末の量は、焼成後の絶縁体（アルミナ基焼結体）１００質量％中に、ＲＥ．成分の酸化物換算にて０．０１〜１８質量％の範囲内となるように適宜調整される必要がある。ここでいうＲＥ．成分としては、周期律表第３ａ族のＳｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、及び、Ｌａ（ランタン）からＬｕ（ルテチウム）までのランタノイド元素の各成分が挙げられる。
【００３６】
さらに、Ｓｉ成分はＳｉＯ_２粉末、Ｃａ成分はＣａＣＯ_３粉末、Ｍｇ成分はＭｇＯ粉末の形でアルミナ粉末に添加することができる。なお、Ｓｉ、Ｃａ、Ｍｇの各成分については、各成分の酸化物（複合酸化物でもよい）の他、水酸化物、炭酸塩、塩化物、硫酸塩、硝酸塩等、リン酸塩等の各種無機系粉末を使用してもよい。但し、これら無機系粉末は、いずれも大気中高温の焼成により酸化されて酸化物に転化できるものを使用する必要がある。
【００３７】
添加される各無機系粉末の量は、Ｓｉ成分（Ｓ：単位は質量％）、Ｃａ成分（Ｃ：単位は質量％）、Ｍｇ成分（Ｍ：単位は質量％）の酸化物換算した各成分の総計に対するＳｉ成分の割合を重量基準で、Ｓ／（Ｓ＋Ｃ＋Ｍ）≧０．７を満たすように、より好ましくは０．９５≧Ｓ／（Ｓ＋Ｃ＋Ｍ）≧０．７５の関係式を満たすように適宜調整される必要がある。また、各無機系粉末の好適な平均粒径としては、各無機系粉末とも平均粒径１μｍ以下とするとよい。各無機系粉末の平均粒径が前記範囲内にあると、前記平均粒径の範囲にあるアルミナ粉末及びＲＥ．成分系粉末との焼結過程での反応（接触）が良くなるものと考えられ、焼成収縮が高められ緻密化した絶縁体を構成することができる。
【００３８】
成形用素地スラリーを調整する際の溶媒としての水には特に制限がなく、従来の絶縁体を製造する場合と同様の水を使用することができる。また、バインダーには、例えば親水性有機化合物を使用することができ、例えばポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、水溶性アクリル樹脂、アラビアゴム、デキストリン等を挙げることができる。これの中でもＰＶＡが最も好ましい。また、成形用素地スラリーを調整する方法には、特に制限がなく、原料粉末、バインダー及び水を混合して成形用素地スラリーを形成することができればどのような混合方法であってもよい。バインダー及び水の配合量は、原料粉末を１００重量部とした場合に、バインダーは０．１〜５重量部、特に０．５〜３重量部の割合で、水は４０〜１２０重量部、特に５０〜１００重量部の割合で配合される。
【００３９】
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球状の成形用素地造粒物に調製される。この造粒物の平均粒径としては、３０〜２００μｍがよく、特に好ましくは５０〜１５０μｍである。そして、得られた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。得られたプレス成形体は、その外側をレジノイド砥石等にて切削加工されて、図２に対応した外形形状に仕上げられ、ついで大気雰囲気下において焼成温度１４５０℃〜１６５０℃の範囲内で、かつ１〜８時間の焼成時間の焼成時間により成形体を焼成し、その後、釉薬をかけて仕上焼成されて、絶縁体２が完成される。
【００４０】
前記成形体の焼成温度に関しては、その焼成温度が１４５０℃よりも低い場合には、十分に緻密化した絶縁体が得られない場合がある。他方、焼成温度が１６５０℃を超える場合には、アルミナ結晶粒子が焼成中に異常粒成長してしまうために、絶縁体の機械的強度が低下し易く、かつ、粒界に粗大な気孔が生じ易く耐電圧特性の低下につながってしまう。
【００４１】
また、前記焼成温度の条件における前記成形体の焼成時間に関しては、１時間〜８時間保持させることが好ましい。この焼成時間が、１時間より短い場合には、十分に緻密化した絶縁体（アルミナ基焼結体）が得られない場合がある。一方、８時間よりも焼成時間が長い場合には、アルミナ結晶粒子が焼成中に異常粒成長してしまうために、焼成温度が高過ぎる（１６５０℃以上）時と同様に、耐電圧特性の低下につながってしまう。なお、成形体を前記焼成温度範囲内にて成形体を保持するにあたり、前記温度範囲内の任意の温度を一定に維持させながら所定時間保持させてもよいし、前記温度範囲内において所定の加熱パターンに従って温度を変動させつつ所定時間保持させてもよい。
【００４２】
以下、スパークプラグ１００の作用について説明する。即ち、スパークプラグ１００は、主体金具４に形成されたネジ部４ｄによりエンジンブロックに取り付けられ、燃焼室内に導入される混合気への着火源として使用される。そして、本発明におけるスパークプラグ１００については、それを構成する絶縁体２（例えば、図２（ａ）及び（ｂ）に示す絶縁体２）が７００℃程度の高温下に晒される場合にも耐電圧特性に優れることから、火花貫通（絶縁破壊）といったトラブルの発生を効果的に防止ないし抑制することができ、高い信頼性を確保することができる。
【００４３】
なお、本発明の絶縁体が適用可能なスパークプラグは図１に示すタイプのものに限らず、例えば、複数の接地電極の先端を中心電極の側面と対向させてそれらの間に火花放電ギャップを形成したものであってもよい。この場合には、絶縁体の先端部を中心電極の側面と接地電極の先端面との間に進入させたセミ沿面タイプのスパークプラグとして構成してもよい。この構成では、絶縁体の先端部の表面を沿う形態の火花放電がなされるので、気中放電タイプのスパークプラグと比べて燻り等に対する耐汚損性が向上する。
【００４４】
【実施例】
本発明の効果を確認するために、以下の実験を行った。
まず、平均粒径０．６μｍのアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末（純度９９．８％以上）に対して、平均粒径１．０μｍの各種ＲＥ．酸化物（ＲＥ．成分系粉末）を表１に示す量比となるように秤量した上で添加しａ〜ｇの各原料粉末を調製し、さらにａを除く原料粉末には平均粒径０．６μｍのＳｉＯ_２粉末（純度９９．９％）と、平均粒径０．８μｍのＣａＣＯ_３粉末（純度９９．９％）と、平均粒径０．３μｍのＭｇＯ粉末（純度９９．９％）とを添加して、さらには原料粉末を調製した。なお、各種ＲＥ．酸化物は、アルミナ粉末、ＳｉＯ_２粉末、ＣａＣＯ_３粉末及びＭｇＯ粉末の合計添加量に対して外配合にて添加した。
【００４５】
そして、これらの原料粉末総量を１００重量部として、親水性結合剤としてＰＶＡ２重量部と、溶媒としての水７０重量部を配合し、アルミナ球石を用いたボールミルにて湿式混合することにより、成形用素地スラリーを調製する。ついで、この成形用素地スラリーをスプレードライ法等により噴霧乾燥して球状の成形用素地造粒物を調製し、篩により粒径１０〜３５５μｍに整粒する。そして得られた成形用素地造粒物をラバープレス型内に投入し、貫通孔６形成用ラバープレスピンを挿入しつつ約１００ＭＰａの圧力にてラバープレス成形を行い、得られたプレス成形体の外側をレジノイド砥石にて切削加工して、所定の絶縁体形状の成形体に成形する。その後、大気雰囲気下において焼成温度（最高焼成保持温度）１５５０℃で２時間の保持時間をもって各成形体を焼成し、その後、釉薬をかけて仕上焼成し、図２（ａ）に示すような絶縁体２をそれぞれ製造した。
【００４６】
なお、各原料粉末から構成される絶縁体２については、表３に示すように各部の寸法（なお、脚長部の基端外径Ａは図２（ａ）のＤ４に相当し、脚長部内における貫通孔の内径Ｃは図２（ａ）のＤ７に相当）を各種値に調整したものを１１種類にわたって作成し、さらにそれら絶縁体２を用いて、図１に示すスパークプラグをそれぞれ形成した。ここで、主体金具の絶縁体係止部の最小内径についても１１種類の絶縁体２毎に表３に示すようにそれぞれ調整した。また、主体金具のねじの呼びはＭ１２とした。
【００４７】
そして、以下の方法によって、焼成して得られた絶縁体に含有されるＲＥ．成分の酸化物換算値、上述したＳ／（Ｓ＋Ｃ＋Ｍ）の関係式の値、実機耐電圧テストの各分析並びに各試験を行った。それらの結果を表２及び表３に示した。
【００４８】
▲１▼絶縁体に含有されるＲＥ．成分：絶縁体中のＲＥ．成分の酸化物換算値は、各絶縁体を蛍光Ｘ線にて分析し、それより検出されたＲＥ．成分の量を酸化物換算した値で示した。ここで、表４に示すＲｅ．成分のうち、Ｌａ、Ｎｄ、Ｄｙ（ジスプロシウム）に関しては、それぞれＬａ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３として換算し、Ｐｒに関してはＰｒ_６Ｏ_１１として換算するものとする。
【００４９】
▲２▼Ｓ／（Ｓ＋Ｃ＋Ｍ）の関係式の値：各絶縁体を化学分析して、それより得られたＳｉ成分、Ｃａ成分、Ｍｇ成分の値をそれぞれ酸化物換算し、上記関係式により算出した。
【００５０】
なお、▲１▼及び▲２▼の各分析については、表３に示すような各部の寸法を各種値に調整したものを１１種類にわたって作成した中において、試料番号５に対応する各絶縁体ａ〜ｇについて分析を行い、この分析結果（表２に示す）をもって試料番号１〜４、及び６〜１１の各々に対応する絶縁体ａ〜ｇの分析結果にあたるものとみなした。
【００５１】
▲３▼実機耐電圧テスト：各スパークプラグを４気筒エンジン（排気量２０００ｃｃ）に取付け、スロットル全開状態、エンジン回転数６０００ｒｐｍにて、最高放電電圧を３５ｋＶに制御しつつ、絶縁体の脚長部における温度を７００℃程度に設定した上で連続運転を行い、絶縁体に火花貫通が生じるまでの時間にて耐電圧特性を評価した。なお、本耐電圧特性の評価にあたっては、ＲＥ．成分を含有しない絶縁体（絶縁体試料番号）ｇを備え、各試料番号１〜１１に示す各寸法（表３に示す）のスパークプラグのそれぞれにおける絶縁体ｇに火花貫通がみられた時間を「１」としたときに、ＲＥ．成分を含有する各試料番号１〜１１に示す各寸法のスパークプラグのそれぞれにおける絶縁体（絶縁体試料番号）ａ〜ｆにおいて火花貫通がみられた時間が何倍に相当するかの比により表した（換言すれば、試料番号個々をみた場合、絶縁体ｇに火花貫通が生じた時間に対する絶縁体ａ〜ｆに火花貫通が生じた時間の比により表した）。
【００５２】
【表１】

【００５３】
【表２】

【００５４】
【表３】

【００５５】
この表２及び表３の結果より、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分としＲＥ．成分を含有する絶縁体（絶縁体試料番号）ａ〜ｆを備えるとともに、各寸法がＢ−Ａ≦２．０ｍｍ、かつ、０．４ｍｍ≦（Ａ−Ｃ）／２≦２．０ｍｍを満足するスパークプラグ（試料番号１〜８、１０に対応するスパークプラグ）については、各寸法がＢ−Ａ≦２．０ｍｍ、かつ、０．４ｍｍ≦（Ａ−Ｃ）／２≦２．０ｍｍを満足するスパークプラグのうちで、ＲＥ．成分を含有しない絶縁体（絶縁体試料番号）ｇを備えるいずれのものと比較しても、火花貫通がみられる時間が２倍以上となっていることがわかる。
【００５６】
一方、各寸法がＢ−Ａ≦２．０ｍｍ、かつ、０．４ｍｍ≦（Ａ−Ｃ）／２≦２．０ｍｍを満たさないスパークプラグ（試料番号９、１１に対応するスパークプラグ；比較例）については、絶縁体中にＲＥ．成分を含有されているか否かに関わらず火花貫通がみられる時間が同等であった。このことから、上述のＢ−Ａ≦２．０ｍｍ、かつ、０．４ｍｍ≦（Ａ−Ｃ）／２≦２．０ｍｍといった小型で肉厚の薄い絶縁体を備えるスパークプラグであって、絶縁体がアルミナを主成分とし、かつ少なくとも１種以上のＲＥ．成分を含有することにより、７００℃程度の高温下における耐電圧特性が顕著に向上することがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスパークプラグの一例を示す全体正面断面図である。
【図２】スパークプラグ用絶縁体の幾つかの実施形態を示す縦断面図である。
【図３】主体金具の金具係合部近傍における絶縁体と該金具側係合部との係合の様子、及び絶縁体の脚長部の基端外径について説明した模式図である。
【図４】Ｎｄ−β−アルミナ結晶相（Ａｌ_１１ＮｄＯ_１８）を有する実施例である試料番号１０のＸ線回折チャートである。
【符号の説明】
１００スパークプラグ
２絶縁体
２ｇ中胴部
２ｉ脚長部
３中心電極
４主体金具
４ｃ金具側係止部
５接地電極

Claims

自身の軸線方向に貫通孔を有する絶縁体と、前記絶縁体の径方向周囲を取り囲む主体金具と、前記絶縁体の貫通孔に固定される中心電極と、前記中心電極との間に火花放電ギャップを形成する１又は複数の接地電極とを備えたスパークプラグであって、
前記主体金具の内周面には、前記絶縁体を係合するための金具側係合部が内向きに突出して形成されており、
前記絶縁体は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分として前記絶縁体を１００質量％中としたときに８０．５〜９９．７質量％含有し、ケイ素（Ｓｉ）成分と、カルシウム（Ｃａ）成分もしくはマグネシウム（Ｍｇ）成分のうち少なくとも一方が含有されるとともに、前記ケイ素成分、前記カルシウム成分及び前記マグネシウム成分の各成分の含有量を酸化物換算にてそれぞれＳ（単位：質量％）、Ｃ（単位：質量％）及びＭ（単位：質量％）としたときに、
Ｓ／（Ｓ＋Ｃ＋Ｍ）≧０．７を満足し、
さらに、少なくとも１種以上の希土類元素（以下、ＲＥ．と表す）成分を含有して構成され、当該絶縁体の軸線方向において前記火花放電ギャップの位置する側を前方側、これと反対側を後方側として、最も前方側に脚長部が形成される一方、前記金具側係合部に係合される中胴部が前記脚長部の後方側に隣接して形成されており、
さらに、前記絶縁体の脚長部の基端外径をＡ、前記主体金具の金具側係合部の最小内径をＢ、前記脚長部内における貫通孔の内径をＣとしたときに、
Ｂ−Ａ≦２．０ｍｍ、かつ、０．４ｍｍ≦（Ａ−Ｃ）／２≦２．０ｍｍ
を満足することを特徴とするスパークプラグ。
前記絶縁体には、前記ＲＥ．成分が酸化物換算にて０．０１〜１８質量％の範囲内で含有されている請求項１に記載のスパークプラグ。
前記絶縁体に含有される前記ＲＥ．成分は、ランタン（Ｌａ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）成分のうちの１種以上からなる請求項１または２に記載のスパークプラグ。
前記主体金具の呼びがＭ８、Ｍ１０、Ｍ１２及びＭ１４のいずれかである請求項１ないし３のいずれかに記載のスパークプラグ。