JP4613242B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

この発明は、スパークプラグに関し、さらに詳しくは、例えば７００℃を超える高温環境下においても十分な耐電圧特性及び機械的強度を発揮する絶縁体を備えたスパークプラグに関する。

アルミナを主成分とするアルミナ基焼結体は、耐電圧特性、耐熱性、機械的強度等に優れ、安価であるため、セラミック製品、例えば、スパークプラグの絶縁碍子（この発明において絶縁体とも称する。）、ＩＣパッケージの多層配線基板等として用いられている。このようなアルミナ基焼結体は、ＳｉＯ_２−ＣａＯ−ＭｇＯからなる三成分系焼結助剤等の焼結助剤を含有する混合粉末を焼結して、形成されてきた。

ところが、前記三成分系焼結助剤を用いて焼結して成るアルミナ基焼結体でスパークプラグの絶縁体を形成した場合に、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、スパークプラグの使用環境、例えば７００℃程度の高温環境下において、低融点ガラス相が軟化し、絶縁体の耐電圧特性が低下してしまう。一方、焼結助剤の添加量を低減してアルミナ基焼結体中の低融点ガラス相を減少させることもできるが、この場合には、絶縁体が緻密化せず、又は、一見緻密化し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、やはり、絶縁体の耐電圧特性が低下してしまう。

このように従来のアルミナ基焼結体は、粒界に低融点ガラス相又は気孔（残留気孔）が存在するから、従来のアルミナ基焼結体でスパークプラグの絶縁体を形成した場合に、７００℃程度の高温環境下においてスパークプラグに火花放電を発生させるための高電圧が印加されると、低融点ガラス相が軟化し、又は、残留気孔に電界が集中して絶縁体が絶縁破壊（火花貫通）されることがある。

このような耐電圧特性の低下及び／又は絶縁破壊の防止を目的とした、スパークプラグの絶縁体又はその材料が提案されている。例えば、特許文献１には、「希土類元素（以下、ＲＥと表す）成分を少なくとも含むアルミナ基焼結体であって、該アルミナ基焼結体の理論密度比が９５％以上であることを特徴とする高耐電圧特性アルミナ基焼結体」が記載されている。

特許文献２には、「構成成分全体を１００質量％とした場合に、Ａｌ成分の酸化物換算含有割合が９５〜９９．８質量％であり、且つ希土類元素及びＳｉ成分を、希土類元素の酸化物換算含有割合（Ｒ_ＲＥ）と、Ｓｉ成分の酸化物換算含有割合（Ｒ_Ｓｉ）との比（Ｒ_ＲＥ／Ｒ_Ｓｉ）が０．１〜１．０となるように含有し、更に、切断面１ｍｍ^２あたりに存在する最大長さが１０μｍ以上であり且つアスペクト比が３以上であるアルミナ粒子が１０個未満であることを特徴とするスパークプラグ用絶縁体」が記載されている。

特許文献３には、「アルミナを主成分とするアルミナ質磁器組成物であって、前記主成分であるアルミナと、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇおよび希土類元素から選ばれる少なくとも一種の元素の組成物との複合焼結体からなり、前記主成分であるアルミナを１００重量部としたとき、前記Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇおよび希土類元素から選ばれる少なくとも一種の元素の組成物は、５重量部以下であることを特徴とするアルミナ質磁器組成物」が記載されている。

ところで、スパークプラグが装着される内燃機関は、近年、高出力化等に伴い、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、４バルブ化等が検討されてきている。そこで、スパークプラグ自体及びその絶縁体も小型化（小径化）及び薄肉化される傾向にある。また、内燃機関が高出力化等されると、スパークプラグ、特に電極周辺領域の環境は従来にない高温にまで到達することがある。

したがって、このように薄肉化された絶縁体においては、７００℃程度の高温環境下における耐電圧特性及び機械的強度に加えて、さらなる高温環境下における高い耐電圧特性及び機械的強度を有していることが重要になってきている。しかし、特許文献１〜３に記載のスパークプラグの絶縁体又はその材料はそのような高温環境下における耐電圧特性及び機械的強度については何ら検討されていない。

特開２００１−２４６４号公報 特開２００１−３３５３６０号公報 国際公開第０５／０３３０４１号パンフレット

この発明は、例えば７００℃を超える高温環境下においても十分な耐電圧特性及び機械的強度を発揮する絶縁体を備えたスパークプラグを提供することを、目的とする。

前記課題を解決するための手段は、
（１） 中心電極と、前記中心電極の外周に設けられた略円筒状の絶縁体と、一端が前記中心電極と火花放電間隙を介して対向するように配置された接地電極とを備えたスパークプラグであって、
前記絶縁体は、Ｓｉ成分と、ＩＵＰＡＣ１９９０年勧告に基づく周期表の第２族元素成分（以下において、２Ａ成分と称することがある。）と、希土類元素成分（以下において、ＲＥ成分と称することがある。）とを含有するアルミナ基焼結体で構成され、
前記アルミナ基焼結体は、前記ＲＥ成分を少なくとも含むＲＥ−β−アルミナ結晶相を有し、このＲＥ−β−アルミナ結晶相の平均結晶粒径Ｄ_Ａ（ＲＥ）とアルミナの平均結晶粒径Ｄ_Ａ（Ａｌ）とが下記条件（１）を満足し、
前記ＲＥ−β−アルミナ結晶相のうち、その結晶粒径Ｄ _Ｅ （ＲＥ）とアルミナの前記平均結晶粒径Ｄ _Ａ （Ａｌ）とが下記条件（２）を満足するＲＥ−β−アルミナ結晶相が３個以下であることを特徴とするスパークプラグである。
条件（１）：０．２≦Ｄ_Ａ（ＲＥ）／Ｄ_Ａ（Ａｌ）≦３．０
条件（２）：Ｄ _Ｅ （ＲＥ）／Ｄ _Ａ （Ａｌ）≧２

この発明の他の手段は、
（２） 前記（１）のスパークプラグにおいて、前記ＲＥ−β−アルミナ結晶相は、組成式：ＲＥ（２Ａ）_ｘ（Ａｌ）_ｙＯ_ｚ（前記ｘ、ｙ及びｚはそれぞれ、ｘ＝０〜２．５、ｙ＝１１〜１６及びｚ＝１８〜２８である。）で示される組成を有しているスパークプラグであり、
（３） 前記（１）又は（２）に記載のスパークプラグにおいて、前記ＲＥ−β−アルミナ結晶相は、透過型電子顕微鏡で観察したときに、直径０．３ｎｍの円形のスポットのうち、前記ヘキサアルミネート結晶の存在が確認されたスポットにおけるアルカリ金属成分を酸化物換算で０．０１〜８質量％含有するスパークプラグであり、
（４） 前記（１）〜（３）のいずれか一項に記載のスパークプラグにおいて、前記アルミナ基焼結体は、アルミナ原料と、前記Ｓｉ成分、Ｍｇ成分及び前記第２Ａ成分、並びに前記ＲＥ成分から成る副原料とをスラリー中で混合して造粒した後に成形及び焼成して成り、前記スラリー中の前記アルミナ原料の平均粒径と前記副原料の平均粒径との粒径比（Ｄ_{アルミナ原料}／Ｄ_副原料）が１．３≦Ｄ_{アルミナ原料}／Ｄ_副原料≦４を満たすスパークプラグであり、
（５） 前記（１）〜（４）のいずれか一項に記載のスパークプラグにおいて、前記２Ａ成分は、ＩＵＰＡＣ１９９０年勧告に基づく周期表の第２族元素のうちＭｇ及びＢａを必須とするとともにＭｇ及びＢａを除く少なくとも他の一元素を含有する成分であり、前記ＲＥ成分は、Ｌａ成分、Ｐｒ成分及びＮｄ成分からなる群より選択される少なくとも一種の成分であるスパークプラグであり、
（６） 前記（１）〜（５）のいずれか一項に記載のスパークプラグにおいて、前記絶縁体は主体金具に保持されてなり、当該主体金具の外周面に形成されたネジ部の呼び径が１０ｍｍ以下であるスパークプラグである。

この発明に係るスパークプラグの絶縁体は、前記のように、Ｓｉ成分と、２Ａ成分と、ＲＥ成分とを含有するアルミナ基焼結体で構成され、このアルミナ基焼結体が、前記ＲＥ成分を少なくとも含むＲＥ−β−アルミナ結晶相を有し、このＲＥ−β−アルミナ結晶相の平均結晶粒径Ｄ_Ａ（ＲＥ）とアルミナの平均結晶粒径Ｄ_Ａ（Ａｌ）とが前記条件（１）を満足している。このような構成を有するアルミナ基焼結体は、スパークプラグの絶縁体としたときに、例えば７００℃を超える高温環境下においても十分な耐電圧特性及び機械的強度を発揮できる。したがって、この発明によれば、例えば７００℃を超える高温環境下においても十分な耐電圧特性及び機械的強度を発揮する絶縁体を備えたスパークプラグを提供できる。

図１は、この発明に係るスパークプラグの一実施例であるスパークプラグを説明する説明図であり、図１（ａ）はこの発明に係るスパークプラグの一実施例であるスパークプラグの一部断面全体説明図であり、図１（ｂ）はこの発明に係るスパークプラグの一実施例であるスパークプラグの主要部分を示す断面説明図である。 図２は、耐電圧測定装置の概略を示す概略断面図である。 図３は、Ｌａ−β−アルミナ構造（ＬａＡｌ_１１Ｏ_１８）の結晶を有するアルミナ基焼結体（実施例１）のＸ線回折チャートである。

この発明に係るスパークプラグは、中心電極と、中心電極の外周に設けられた略円筒状の絶縁体と、一端が中心電極と火花放電間隙を介して対向するように配置された接地電極とを備えている。この発明に係るスパークプラグは、このような構成を有するスパークプラグであれば、その他の構成は特に限定されず、種々の構成を採ることができる。

この発明に係るスパークプラグの一実施例であるスパークプラグを図１に示す。なお、図１（ａ）では紙面下方を軸線ＡＸの先端方向、紙面上方を軸線ＡＸの後端方向として、図１（ｂ）では紙面上方を軸線ＡＸの先端方向、紙面下方を軸線ＡＸの後端方向として説明する。

このスパークプラグ１は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示されるように、略棒状の中心電極２と、中心電極２の外周に設けられた略円筒状の絶縁体３と、絶縁体３を保持する円筒状の主体金具４と、一端が中心電極２の先端面と火花放電間隙Ｇを介して対向するように配置されると共に他端が主体金具４の端面に接合された接地電極６とを備えている。

前記主体金具４は、円筒形状を有しており、絶縁体３を内装することにより絶縁体３を保持するように形成されている。主体金具４における先端方向の外周面にはネジ部９が形成されており、このネジ部９を利用して図示しない内燃機関のシリンダヘッドにスパークプラグ１が装着される。近年の高出力化された内燃機関にスパークプラグ１が装着される場合には、前記ネジ部９の呼び径は、例えば１０ｍｍ以下に調整される。主体金具４は、導電性の鉄鋼材料、例えば、低炭素鋼により形成されることができる。

中心電極２は、外材７と、外材７の内部の軸心部に同心的に埋め込まれるように形成されてなる内材８とにより形成されている。中心電極２は、その先端部が絶縁体３の先端面から突出した状態で絶縁体３の軸孔に固定されており、主体金具４に対して絶縁保持されている。中心電極２の外材７は耐熱性及び耐食性に優れたＮｉ基合金で形成され、中心電極２の内材８は銅（Ｃｕ）又はニッケル（Ｎｉ）等の熱伝導性に優れた金属材料で形成されることができる。

前記接地電極６は、例えば、角柱体に形成されてなり、一端が主体金具４の端面に接合され、途中で略Ｌ字に曲げられて、その先端部が中心電極２の軸線ＡＸ方向に位置するように、その形状及び構造が設計されている。接地電極６がこのように設計されることによって、接地電極６の一端が中心電極２と火花放電間隙Ｇを介して対向するように配置されている。火花放電間隙Ｇは、中心電極２の先端面と接地電極６の表面との間の間隙であり、この火花放電間隙Ｇは、通常、０．３〜１．５ｍｍに設定される。接地電極６は中心電極２よりも高温に曝されるため、中心電極２を形成するＮｉ基合金よりも耐熱性及び耐食性等により一層優れたＮｉ基合金等で形成されるのがよい。

前記絶縁体３は、主体金具４の内周部に滑石（タルクとも称される。）及び／又はパッキン等（図示せず。）を介して保持されており、絶縁体３の軸線ＡＸ方向に沿って中心電極２を保持する軸孔を有している。絶縁体３は、絶縁体３における先端方向の端部が主体金具４の先端面から突出した状態で、主体金具４に固着されている。主体金具４におけるネジ部９の呼び径が１０ｍｍ以下に調整される場合には、主体金具４の先端面における絶縁体３は例えば０．７〜１．０ｍｍの薄い肉厚に設定される。

このスパークプラグ１において、絶縁体３は、Ｓｉ成分と、２Ａ成分と、ＲＥ成分とを含有するアルミナ基焼結体で形成されている。

このアルミナ基焼結体は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）（以下において、Ａｌ成分と称することがある。）を主成分として含有する。この発明において「主成分」とは含有率が最も高い成分をいう。Ａｌ成分を主成分として含有すると、焼結体の耐電圧特性、耐熱性及び機械的特性等に優れる。

アルミナ基焼結体におけるＡｌ成分の含有率は、アルミナ基焼結体の全質量を１００質量％としたときに、９２質量％以上９７質量％以下であるのが好ましく、９３質量％以上９６．５質量％以下であるのが、特に好ましい。Ａｌ成分の含有率が前記範囲内にあると、アルミナ基焼結体を形成する焼結前の原料粉末中における焼結助剤の含有率が適切な割合になっているから、この焼結前の原料粉末を焼結してなるアルミナ基焼結体は緻密になる。その結果、Ａｌ成分の含有率が前記範囲内にあると、粒界に低融点ガラス相の形成及び気孔の残留が少なく、このアルミナ基焼結体で形成した絶縁体は高い耐電圧特性を発揮する。なお、この発明において、Ａｌ成分の含有率はＡｌ成分の酸化物である「アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）」に換算したときの酸化物換算質量％とする。

前記アルミナ基焼結体においては、前記Ａｌ成分として存在するアルミナの結晶粒子は、例えば、０．６〜３．６μｍの平均結晶粒径Ｄ_Ａ（Ａｌ）を有している。アルミナ基焼結体におけるアルミナの結晶粒子は、後述するように、画像解析写真において「濃色領域」として表される。アルミナ基焼結体における前記結晶粒子の平均結晶粒径Ｄ_Ａ（Ａｌ）は後述するＲＥ−β−アルミナ結晶相の結晶粒径Ｄ_Ｅ（ＲＥ）と同様にして走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）での観察により求めることができる。具体的には、次のようにして算出される。アルミナ基焼結体の表面又は任意の断面を鏡面研磨し、この研磨面をアルミナ基焼結体の焼成温度よりも１００℃低い温度で１０分にわたってサーマルエッチング処理をしてなる処理面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察して、後述するように「二値化処理」して表わされる「濃色領域」の粒子径をインターセプト法にて計測し、これらを算術平均して求めることができる。

アルミナ基焼結体は、Ｓｉ成分を含有する。このＳｉ成分は、焼結助剤由来の成分であり、酸化物、イオン等として、アルミナ基焼結体中に存在する。Ｓｉ成分は、通常、焼結時には溶融して液相を生じ、焼結体の緻密化を促進する焼結助剤として機能し、焼結後はアルミナ結晶粒子の粒界に低融点ガラス相等を形成する。しかし、前記アルミナ基焼結体は、Ｓｉ成分に加えて他の特定成分を有しているから、Ｓｉ成分は低融点ガラス相よりも他の成分と共に高融点ガラス相等を優先的に形成する。その結果、アルミナ基焼結体は高い耐電圧特性及び機械的強度を発揮する。

したがって、この発明において、Ｓｉ成分は、前記低融点ガラス相を実質的に形成せず、他の成分と共に高融点ガラス相等を形成するような含有率でアルミナ基焼結体中に含有される。アルミナ基焼結体におけるＳｉ成分の含有率は、例えば、アルミナ基焼結体の全質量を１００質量％としたときに、１質量％以上５質量％以下であるのが好ましく、２質量％以上５質量％以下であるのが、特に好ましい。なお、この発明において、Ｓｉ成分の含有率はＳｉ成分の酸化物である「ＳｉＯ_２」に換算したときの酸化物換算質量％とする。

アルミナ基焼結体は、２Ａ成分を含有する。前記周期表の第２族元素としては、低毒性等の観点から、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａが好ましく挙げられる。この発明において、前記２Ａ成分は、これらの２Ａ成分のうち少なくとも二種の成分を含有しているのが好ましく、前記アルミナ基焼結体が、例えば７００℃を超える高温環境下においても耐電圧特性及び機械的強度を十分な発揮する点で、前記２Ａ成分は、前記周期表の第２族元素のうちＭｇ及びＢａを必須とするとともにＭｇ及びＢａを除く少なくとも他の一元素を含有する成分、すなわち、Ｃａ成分及びＳｒ成分からなる群から選択される少なくとも一元素の成分であるのがより一層好ましい。具体的には、より一層好ましい２Ａ成分は、Ｍｇ成分とＢａ成分とＣａ成分とを含有し、Ｍｇ成分とＢａ成分とＳｒ成分とを含有し、又は、Ｍｇ成分とＢａ成分とＣａ成分とＳｒ成分とを含有する。これらの中でも、Ｍｇ成分とＢａ成分とＣａ成分とを含有する２Ａ成分が、特に好ましい。

前記Ｍｇ成分は、焼結助剤由来の成分であり、酸化物、イオン等として、アルミナ基焼結体中に存在し、焼結前のＳｉ成分と同様に焼結助剤として機能する。前記Ｂａ成分、前記Ｃａ成分及び前記Ｓｒ成分は、焼結助剤由来の成分であり、酸化物、イオン等として、アルミナ基焼結体中に存在し、焼結前のＭｇ成分と同様に焼結助剤として機能すると共に、得られるアルミナ基焼結体の機械的強度を向上させる機能を有する。したがって、このように機能する少なくとも二種の第２族元素を含有する成分を有する２Ａ成分、特に、Ｍｇ成分とＢａ成分と前記Ｍｇ成分及び前記Ｂａ成分を除く少なくとも他の一元素の成分である２Ａ成分を含有するアルミナ基焼結体は、絶縁体３とされたときに高い耐電圧特性及び機械的強度を発揮するとともに、焼成時の焼結温度の低下、及び高温下でのマイグレーションの抑制も達成可能になる。なお、Ｍｇ成分は焼成時の焼結温度の低下に寄与し、Ｂａ成分は高温下でのマイグレーションの抑制に寄与する。

アルミナ基焼結体における２Ａ成分の合計含有率は、アルミナ基焼結体の全質量を１００質量％としたときに、０．１質量％以上２．５質量％以下であるのが好ましく、０．８質量％以上２．２質量％以下であるのが、特に好ましい。

前記２Ａ成分における各成分の含有率は、前記２Ａ成分の合計含有率を超えない範囲で適宜調整され、各成分の含有率比は、特に限定されない。この発明において、アルミナ基焼結体の全質量を１００質量％としたときに、各成分の含有率はそれぞれ０質量％以上２質量％以下の範囲から、少なくとも二種の成分の含有率が同時に０質量％とならないように、選択されるのが好ましい。特に好ましくは、少なくとも二種の成分の含有率が同時に０質量％とならないように、０．０１質量％以上０．４質量％以下の範囲からＭｇ成分の含有率が選択され、０．２質量％以上０．９質量％以下の範囲からＣａ成分の含有率が選択され、０．２質量％以上０．９質量％以下の範囲からＳｒ成分の含有率が選択され、０．１質量％以上１．６質量％以下の範囲からＢａ成分の含有率が選択される。この発明において、前記アルミナ基焼結体がＭｇ成分、Ｃａ成分、Ｓｒ成分又はＢａ成分を含有していない場合は、当然に、その含有率は０質量％となる。なお、この発明において、２Ａ成分を形成する第２族元素含有の成分の各含有率はその酸化物「（２Ａ）Ｏ」に換算したときの酸化物換算質量％とし、具体的には、Ｍｇ成分の含有率ＭはＭｇ成分の酸化物である「ＭｇＯ」に換算したときの酸化物換算質量％とし、Ｂａ成分の含有率ＢはＢａ成分の酸化物である「ＢａＯ」に換算したときの酸化物換算質量％とし、Ｃａ成分の含有率ＣはＣａ成分の酸化物である「ＣａＯ」に換算したときの酸化物換算質量％とし、Ｓｒ成分の含有率ＳｒはＳｒ成分の酸化物である「ＳｒＯ」に換算したときの酸化物換算質量％とする。また、２Ａ成分の含有率は、２Ａ成分の各含有率の合計含有率であり、具体的には、Ｍｇ成分の含有率Ｍ、Ｂａ成分の含有率Ｂ、Ｃａ成分の含有率Ｃ及びＳｒ成分の含有率Ｓｒ等の合計含有率とする。

アルミナ基焼結体は、焼結助剤由来のＲＥ成分を含有する。このＲＥ成分は、Ｓｃ、Ｙ及びランタノイド元素を含有する成分であり、具体的には、Ｓｃ成分、Ｙ成分、Ｌａ成分、Ｃｅ成分、Ｐｒ成分、Ｎｄ成分、Ｐｍ成分、Ｓｍ成分、Ｅｕ成分、Ｇｄ成分、Ｔｂ成分、Ｄｙ成分、Ｈｏ成分、Ｅｒ成分、Ｔｍ成分、Ｙｂ成分及びＬｕ成分である。ＲＥ成分は、酸化物、イオン等として、アルミナ基焼結体中に存在する。このＲＥ成分は、焼結時に含有されていることにより、焼結時におけるアルミナの粒成長が過度に生じないように抑制すると共に、Ｓｉ成分と共にＲＥ−Ｓｉ系ガラス（希土類ガラス）を粒界に形成して粒界ガラス相の融点を高めることができ、絶縁体３としたときの耐電圧特性を向上させると共に機械的強度も向上させる。

ＲＥ成分は、前記した各成分であればよいが、Ｌａ成分、Ｐｒ成分及びＮｄ成分からなる群より選択される少なくとも一種の成分であるのが好ましい。Ｌａ成分、Ｐｒ成分及びＮｄ成分は、それらに含まれる各元素Ｌａ、Ｐｒ及びＮｄのイオン半径が大きく、Ｓｉ成分と相俟って高融点の結晶相を形成すると共に、Ａｌ成分及び場合によっては２Ａ成分とも相俟って２０００℃程度の非常に高い融点を有する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」と称することがある。）を容易に形成すると考えられる。したがって、アルミナ基焼結体が、ＲＥ成分として、Ｌａ成分、Ｐｒ成分及びＮｄ成分からなる群より選択される少なくとも一種の成分を含有すると、最適なＲＥ−β−アルミナ結晶相を効果的に形成して、絶縁体３としたときの耐電圧特性及び機械的強度をより一層向上させることができる。なお、前記ＲＥ−β−アルミナ結晶相は、アルミナ基焼結体において、含有する成分比が酸化物換算の重量％比でＲＥ成分／Ａｌ_２Ｏ_３＝０．２〜２．５となる部分である。

したがって、前記ＲＥ−β−アルミナ結晶相は、組成式：ＲＥ（２Ａ）ｘ（Ａｌ）ｙＯｚ（前記ｘ、ｙ及びｚはそれぞれ、ｘ＝０〜２．５、ｙ＝１１〜１６及びｚ＝１８〜２８である。）で示される組成を有しているのが好ましく、特に、ＲＥ成分としてＬａ成分、Ｐｒ成分及びＮｄ成分からなる群より選択される少なくとも一種の成分を少なくとも含んでいる場合には前記組成式で示される組成を有しているのが好ましい。前記ＲＥ−β−アルミナ結晶相がこの組成式で示される組成を有していると、絶縁体３としたときの耐電圧特性及び機械的強度をさらに向上させることができる。前記組成式におけるｘ、ｙ及びｚは、好ましくは、ｘは０〜１．５の範囲、ｙは１１〜１４の範囲、ｚは１８〜２４の範囲から選択される。ＲＥ−β−アルミナ結晶相の組成を示す前記組成式としては、例えば、ＲＥ（２Ａ）Ａｌ_１３Ｏ_１９、ＲＥＡｌ_１１Ｏ_１８等が挙げられる。

前記ＲＥ−β−アルミナ結晶相が前記組成式を満たす組成を有しているか否かは、アルミナ基焼結体中に存在する前記ＲＥ−β−アルミナ結晶相を、例えば透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）（ＨＩＴＡＣＨＩ製、「ＨＤ−２０００」）付属のエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）（ＥＤＡＸ製、ＥＤＸ：「Ｇｅｎｅｓｉｓ４０００」、検出器：ＳＵＴＷ３．３ＲＴＥＭ）を用いて下記測定条件等で元素分析を行うことによって、確認することができる。
＜測定条件等＞
（１）加速電圧：２００ｋＶ
（２）照射モード：ＨＲ（スポットサイズ：約０．３ｎｍ）
（３）エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）の測定結果は酸化物換算質量％で算出する。なお、２Ａ成分、ＲＥ成分及びＡｌ成分以外の酸化物で、酸化物換算質量％が１質量％以下のものは不純物とする。そして、ＲＥ成分のモル数を１としたときの、２Ａ成分の合計モル数をｘ、Ａｌ成分のモル数をｙ、酸素欠陥がない場合の理論的な酸素成分のモル数をｚとする。

前記ＲＥ−β−アルミナ結晶相は、アルミナ基焼結体中に存在すればよく、その存在箇所は、特に限定されず、アルミナ基焼結体の内部にまで存在するのが好ましく、アルミナ結晶粒の二粒子粒界及び／又は三重点に存在するのが、特に好ましい。

前記ＲＥ−β−アルミナ結晶相の存在は、例えば、ＪＣＰＤＳカードを用いて、Ｘ線回折により同定することができる。なお、Ｐｒ及びＮｄに関しては、ＲＥ−β−アルミナのＪＣＰＤＳカードが存在しないため、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＋のイオン半径とほぼ同等であるため、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ことから、Ｌａ−β−アルミナのＪＣＰＤＳカードと対比して、Ｐｒ−β−アルミナ、Ｎｄ−β−アルミナの存在を確認することができる。

前記ＲＥ−β−アルミナ結晶相は、アルミナ基焼結体中に存在しているＲＥ−β−アルミナ結晶相を粒子状の結晶粒と考えたときにその粒径があまりにも大きすぎると機械的強度を低下させる可能性があるので、絶縁体３としたときに高い機械的強度を発揮させるためには、ＲＥ−β−アルミナ結晶相の粒径を適宜に調整することがこの発明において重要である。

すなわち、この発明において、前記ＲＥ−β−アルミナ結晶相の平均結晶粒径Ｄ_Ａ（ＲＥ）とアルミナの前記平均結晶粒径Ｄ_Ａ（Ａｌ）とが下記条件（１）を満足するのが重要であり、特に前記ＲＥ成分がＬａ成分、Ｐｒ成分及びＮｄ成分からなる群より選択される少なくとも一種の成分である場合に下記条件（１）を満足するのが好ましい。下記条件（１）を満足すると、アルミナ基焼結は耐電圧特性を低下させることなく、例えば７００℃を超える高温環境下においてもより一層高い機械的強度を発揮することができる。下記条件（１）において、Ｄ_Ａ（ＲＥ）／Ｄ_Ａ（Ａｌ）は、０．２〜２であるのがより好ましく、０．２〜１．５であるのが特に好ましい。
条件（１）：０．２≦Ｄ_Ａ（ＲＥ）／Ｄ_Ａ（Ａｌ）≦３．０

また、この発明において、前記アルミナ基焼結に含有される前記ＲＥ−β−アルミナ結晶相のうち、その結晶粒径Ｄ_Ｅ（ＲＥ）とアルミナの前記平均結晶粒径Ｄ_Ａ（Ａｌ）とが下記条件（２）を満足するＲＥ−β−アルミナ結晶相が３個以下であるのが好ましく、特に、前記ＲＥ成分がＬａ成分、Ｐｒ成分及びＮｄ成分からなる群より選択される少なくとも一種の成分である場合に下記条件（２）を満足するＲＥ−β−アルミナ結晶相が３個以下であるのが好ましい。下記条件（２）を満足するＲＥ−β−アルミナ結晶相が３個以下であると、前記アルミナ基焼結は耐電圧特性を低下させることなく、例えば７００℃を超える高温環境下においてもより一層高い機械的強度を発揮することができる。下記条件（２）を満足するＲＥ−β−アルミナ結晶相は２個以下であるのがより好ましく、１個以下であるのが特に好ましい。
条件（２）：Ｄ_Ｅ（ＲＥ）／Ｄ_Ａ（Ａｌ）≧２

前記結晶粒径Ｄ_Ｅ（ＲＥ）及び平均結晶粒径Ｄ_Ａ（ＲＥ）は次のようにして求めることができる。例えば、アルミナ基焼結体の表面又は任意の断面を鏡面研磨し、この研磨面をアルミナ基焼結体の焼成温度よりも１００℃低い温度で１０分にわたってサーマルエッチング処理する。この処理面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、倍率２０００倍で観察領域を写真撮影する。得られた画像を例えば画像解析ソフトウェア「ＷｉｎＲＯＯＦ」（三谷商事株式会社製）を用いて下記「二値化処理方法及び条件」で「二値化処理（二階調化処理とも称する。）」すると、前記ＲＥ−β−アルミナ結晶相は「薄色領域」として、アルミナは「濃色領域」として表わされる。前記ＲＥ−β−アルミナ結晶相の結晶粒径Ｄ_Ｅ（ＲＥ）は、前記二値化処理して抽出された「薄色領域」を１つのＲＥ−β−アルミナ結晶相の結晶粒子と仮定した場合に、前記各「薄色領域」の表面積を算出し、この表面積から前記各「薄色領域」の円相当直径を算出した値とする。前記ＲＥ−β−アルミナ結晶相の平均結晶粒径Ｄ_Ａ（ＲＥ）は、このようにして算出した前記結晶粒径Ｄ_Ｅ（ＲＥ）の算術平均値とする。

＜二値化処理方法及び条件＞
（１）前記処理面を撮影して得られた画像（横１２８０ピクセル×縦１０２４ピクセル）のうち二次電子像及び反射電子像を確認し、反射電子像に、二以上の「薄色領域」が集合又は隣接してなる「薄色集合領域」が存在する場合には、各「薄色領域」における境界（各結晶の粒界に相当する。）にラインを引き、各「薄色領域」の境界を明確にする。
（２）前記反射電子像の画像を改善するため、前記「薄色領域」のエッジを保ちながら反射電子像の画像を滑らかにする。
（３）反射電子像の画像から「薄色領域」のみを抽出するための二値化処理における「しきい値」を設定する。より具体的には、反射電子像の画像から横軸に明るさ、縦軸に頻度をとったグラフを作成する。得られるグラフは二山状のグラフになるため、二山の中間点を「しきい値」に設定する。
（４）前記「薄色領域」の抽出は、前記反射電子像のうち任意の領域（横４０μｍ×縦３０μｍ）を選択し、この領域の画像内に存在する前記「薄色領域」を抽出して、行う。
（５）選択した前記領域、すなわち、抽出した前記「薄色領域」の画像品質を改善するため、選択した前記領域の画像に表れている穴を埋める処理を行う。
（６）選択した前記領域の画像において、直径が１０ピクセル以下の前記「薄色領域」を除去する。
（７）このようにして各「薄色領域」を抽出する。

前記ＲＥ−β−アルミナ結晶相の平均結晶粒径Ｄ_Ａ（ＲＥ）は、前記条件（１）を満足し、又は、前記条件（２）を満足するＲＥ−β−アルミナ結晶相が３個以下となるのであれば、その範囲は特に限定されないが、好ましくは０．５〜５．０μｍ、特に好ましくは０．５〜３．０μｍである。ＲＥ−β−アルミナ結晶相が前記範囲の平均結晶粒径Ｄ_Ａ（ＲＥ）を有していると、絶縁体３としたときに耐電圧特性と機械的強度とを高い水準で両立することができる。

このＲＥ−β−アルミナ結晶相は、ＲＥ−β−アルミナそのものを原料粉末として用いることもできるが、焼成時にＲＥ−β−アルミナ粒成長の異方成長が著しいため、アルミナ基焼結体の緻密化が阻害されるおそれがある。したがって、ＲＥ−β−アルミナ結晶相は焼成過程において析出生成させることが好ましい。例えば、前記ＲＥ成分の存在下、前記Ｓｉ成分及び前記２Ａ成分それぞれを前記含有率で含有する原料粉末を焼結することにより、ＲＥ−β−アルミナ結晶相を析出生成させることができる。

前記条件（１）を満足する前記ＲＥ−β−アルミナ結晶相及び／又は前記条件（２）を満足する３個以下の前記ＲＥ−β−アルミナ結晶相を析出させるには、例えば、ＲＥ成分の含有率を調整する方法、より具体的には、ＲＥ成分の含有率を小さくすると、前記条件（１）の「Ｄ_Ａ（ＲＥ）／Ｄ_Ａ（Ａｌ）」及び前記条件（２）の「Ｄ_Ｅ（ＲＥ）／Ｄ（_ＡＡｌ）≧２となるＲＥ−β−アルミナ結晶相の数」は共に小さく又は少なくなる。

アルミナ基焼結体におけるＲＥ成分の含有率は、特に限定されず、例えばＬａ成分、Ｐｒ成分又はＮｄ成分である場合にはＲＥ−β−アルミナ結晶相を形成することのできる程度の含有率であればよい。ＲＥ成分の含有率は、Ｌａ成分、Ｐｒ成分及びＮｄ成分であるか否かに関わらず、例えば、アルミナ基焼結体の全質量を１００質量％としたときに、０質量％を超え４質量％以下であるのが好ましい。

なお、この発明において、アルミナ基焼結体におけるＲＥ成分の含有率は、各成分の酸化物に換算したときの酸化物換算質量％とする。具体的には、Ｃｅ成分はＣｅ成分「ＣｅＯ_２」に換算したときの酸化物換算質量％とし、Ｐｒ成分は「Ｐｒ_６Ｏ_１１」に換算したときの酸化物換算質量％とし、Ｃｅ成分及びＰｒ成分以外のＲＥ成分は「ＲＥ_２Ｏ_３」に換算したときの酸化物換算質量％とする。ＲＥ成分を複数含有するときは、含有率は各成分の含有率の合計含有率とする。

アルミナ基焼結体において、Ｓｉ成分、２Ａ成分及びＲＥ成分は、それぞれ、前記含有率で含有されているのが好ましく、Ｓｉ成分の含有率、２Ａ成分の含有率及びＲＥ成分の含有率の合計含有率は、アルミナ基焼結体の全質量を１００質量％としたときに、３質量％以上８質量％以下であるのが好ましく、３．５質量％以上７質量％以下であるのが、特に好ましい。これらの合計含有率が前記範囲内にあると、得られるアルミナ基焼結体が緻密になり、このアルミナ基焼結体で形成した絶縁体３は高い耐電圧特性を発揮する。

アルミナ基焼結体は、Ａｌ成分、Ｓｉ成分、２Ａ成分及びＲＥ成分を含有し、前記Ａｌ成分、前記Ｓｉ成分、前記２Ａ成分及び前記ＲＥ成分から実質的になる。ここで、「実質的に」とは、前記成分以外の成分を添加等により積極的に含有させないことを意味する。ところが、アルミナ基焼結体の各成分には微量の不可避的な各種不純物を含有していることがある。これらの不純物は極力除去するのが好ましいが、現実的には、完全に除去することはできない。したがって、アルミナ基焼結体は、この発明の目的を損なわない範囲で、前記各成分に加えて、不可避不純物を含有していてもよい。このようなアルミナ基焼結体に含有してもよい不可避不純物としては、例えば、Ｎａ等のアルカリ金属、Ｓ及びＮ等が挙げられる。これらの不可避不純物の含有量は少ない方がよく、例えば、Ａｌ成分、Ｓｉ成分、２Ａ成分及びＲＥ成分の合計質量を１００質量部としたときに１質量部以下であるのがよい。

このように、アルミナ基焼結体は、前記成分から実質的に成るが、前記不可避不純物の他に、前記Ａｌ成分、Ｓｉ成分、２Ａ成分及びＲＥ成分に加えて、他の成分、例えば、Ｂ成分、Ｔｉ成分、Ｍｎ成分、Ｎｉ成分等を少量含有していてもよい。

ＲＥ−β−アルミナ結晶相の好ましい態様としては、ＲＥ−β−アルミナ結晶相が不可避不純物、特にＮａ等のアルカリ金属を、酸化物換算で０．０１〜８重量％含有している態様を挙げることができる。このアルカリ金属の含有量は、ＲＥ−β−アルミナ結晶相を透過型電子顕微鏡で観察したときに、直径０．３ｎｍの円形のスポットのうち、前記ヘキサアルミネート結晶の存在が確認されたスポットにおける酸化物換算した場合の量である。ＲＥ−β−アルミナ結晶相を透過型電子顕微鏡で観察したときに、直径０．３ｎｍの円形のスポットのうち、前記ヘキサアルミネート結晶の存在が確認されたスポットにおいて、アルカリ金属成分を酸化物換算で０．０１〜８質量％含有していると、高温下において耐電圧特性及び高温強度が低減し難い上に、粒界相が軟化する温度の低下を防ぐことができる。

前記アルミナ基焼結体は、ＲＥ成分を少なくとも含み、前記条件（１）を満足するＲＥ−β−アルミナ結晶相を有しているから、粒径分布の狭い粒子で構成され、極めて緻密になっていると推測される。また、前記アルミナ基焼結体は、粒界相に高融点結晶相である前記ＲＥ−β−アルミナ結晶相が存在しているから、高温時における粒界相の軟化を効果的に抑えることができる。その結果、前記アルミナ基焼結体は、破壊起点となりうる気孔の存在が極めて少なく、また、粒界相が軟化しにくく、絶縁体３としたときに、例えば７００℃を超える高温環境下においても十分な耐電圧特性及び機械的強度を発揮できる。

したがって、Ｓｉ成分と２Ａ成分とＲＥ成分とを含有して成り、前記条件（１）を満足するＲＥ−β−アルミナ結晶相が存在する前記アルミナ基焼結体は、スパークプラグに用いられる絶縁体３の材料として好適に用いられ、特に、小型化されたスパークプラグ、及び、高出力化された内燃機関用のスパークプラグに用いられる絶縁体３の材料として好適に用いられる。

そして、前記アルミナ基焼結体で形成された絶縁体３を備えたスパークプラグは、例えば７００℃を超える高温環境下においても十分な耐電圧特性及び機械的強度を発揮できる。したがって、この発明によれば、例えば７００℃を超える高温環境下においても十分な耐電圧特性及び機械的強度を発揮するスパークプラグを提供するという目的を達成することができる。

このアルミナ基焼結体は、前記組成を満たす原料粉末を焼結してなる。例えば、アルミナ基焼結体は、Ａｌ化合物粉末、通常、アルミナ粉末と、希土類元素（ＲＥ）化合物粉末と、少なくとも二種の第２族元素（２Ａ）化合物粉末、特に、Ｍｇ化合物粉末、Ｂａ化合物粉末及びこれら以外の第２族元素（２Ａ）化合物粉末とを混合して原料粉末を調整する工程と、前記原料粉末を所定の形状を有する成形体に成形する工程と、前記成形体を１４５０〜１６５０℃の温度範囲にて１〜１０時間保持して焼成する工程とにより製造することができる。

より具体的には、まず、原料粉末として、Ａｌ化合物粉末、通常、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末と、希土類元素（ＲＥ）化合物粉末と、Ｓｉ化合物粉末と、第２族元素（２Ａ）化合物粉末とを、好ましくは、得られるアルミナ基焼結体におけるこれら化合物粉末から転化する各成分の前記含有率とほぼ同一の含有率（原料粉末の全質量を１００質量％とする。）となる特定の割合で、混合し、これに親水性結合剤と溶媒とを添加、混合してスラリーを調製する。なお、場合によっては、前記Ａｌ成分と同じ物質、前記Ｓｉ成分と同じ物質、前記Ｍｇ成分と同じ物質、前記第２族元素成分と同じ物質、及び前記ＲＥ成分と同じ物質の各粉末（これらの粉末も原料粉末と称することができる。）を混合して調製したスラリーを用いることもできる。

上記原料粉末は、その粒径が一定の数値範囲を満たしているのが好ましい。詳述すると、前記アルミナ基焼結体は、アルミナ原料と、前記Ｓｉ成分、前記Ｍｇ成分及び前記第２族元素成分、並びに前記ＲＥ成分から成る副原料とをスラリー中で混合して造粒した後に成形及び焼成して成り、前記スラリー中の前記アルミナ原料の平均粒径と前記副原料の平均粒径との粒径比（Ｄ_{アルミナ原料}／Ｄ_副原料）が１．３≦Ｄ_{アルミナ原料}／Ｄ_副原料≦４を満たしているのが好ましい。原料粉末の粒径比が１．３≦Ｄ_{アルミナ原料}／Ｄ_副原料≦４、更に好ましくは１．６≦Ｄ_{アルミナ原料}／Ｄ_副原料≦３．６であると、粗大なＲＥ−β−アルミナ結晶相の生成を抑制し、ＲＥ−β−アルミナ結晶相を効率よく生成させ、良好な焼結性も確保することができる。

Ａｌ化合物粉末は、Ａｌ成分である酸化アルミニウム粉末、又は焼成によりＡｌ成分に転化する化合物であれば、特に制限はなく、通常、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末が用いられる。Ａｌ化合物粉末は、現実的に不可避不純物、例えばＮａ等を含有していることがあるので、高純度のものを用いるのが好ましく、例えば、Ａｌ化合物粉末おける純度は９９．５％以上であるのが好ましい。Ａｌ化合物粉末は、緻密なアルミナ基焼結体を得るには、通常、その平均粒径が０．１μｍ以上５．０μｍ以下の粉末を使用するのがよい。ここで、平均粒径は、レーザー回折法（ＨＯＲＩＢＡ製、「ＬＡ−７５０」）により測定した値である。

Ｓｉ化合物粉末は、Ｓｉ成分である酸化珪素粉末、又は焼成によりＳｉ成分に転化する化合物であれば、特に制限はなく、例えば、Ｓｉの酸化物（複合酸化物を含む。）、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挙げることができる。具体的にはＳｉＯ_２粉末等を挙げることができる。なお、Ｓｉ化合物粉末として酸化物以外の粉末を使用する場合には、その使用量は酸化物に換算したときの酸化物換算質量％で把握する。Ｓｉ化合物粉末の純度及び平均粒径はＡｌ化合物粉末と基本的に同様である。

第２族元素（２Ａ）化合物粉末は、２Ａ成分である第２族元素の酸化物粉末、又は焼成により２Ａ成分に転化する化合物であれば、特に制限はない。第２族元素（２Ａ）化合物粉末としては、第２族元素（２Ａ）の水酸化物、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挙げることができる。具体的には、Ｍｇ化合物粉末としてＭｇＯ粉末、ＭｇＣＯ_３粉末、Ｂａ化合物粉末としてＢａＯ粉末、ＢａＣＯ_３粉末、Ｃａ化合物粉末としてＣａＯ粉末、ＣａＣＯ_３粉末、Ｓｒ化合物粉末としてＳｒＯ粉末、ＳｒＣＯ_３粉末等が挙げられる。なお、第２族元素（２Ａ）化合物粉末として酸化物以外の粉末を使用する場合には、その使用量は酸化物に換算したときの酸化物換算質量％で把握する。第２族元素（２Ａ）化合物粉末の純度及び平均粒径はＡｌ化合物粉末と基本的に同様である。

第２族元素（２Ａ）化合物粉末は、少なくとも二種の第２族元素（２Ａ）化合物粉末であるのが好ましく、より一層好ましくは、Ｍｇ化合物粉末及びＢａ化合物粉末を必須とし、Ｍｇ化合物粉末及びＢａ化合物粉末を除く少なくとも他の一元素の化合物粉末、すなわち、Ｃａ化合物粉末及びＳｒ化合物粉末からなる群から選択される少なくとも１つの化合物粉末である。より一層好ましい第２族元素（２Ａ）化合物粉末としては、具体的には、Ｍｇ化合物粉末と、Ｂａ化合物粉末と、Ｃａ化合物粉末及びＳｒ化合物粉末からなる群から選択される少なくとも一元素の化合物粉末とであり、特に好ましい第２族元素（２Ａ）化合物粉末としては、Ｍｇ化合物粉末とＢａ化合物粉末とＣａ化合物粉末とである。

希土類元素（ＲＥ）化合物粉末は、ＲＥ成分であるＲＥの酸化物粉末、又は焼成によりＲＥ成分に転化する化合物であれば、特に制限はなく、例えば、希土類元素（ＲＥ）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、希土類元素（ＲＥ）化合物粉末として酸化物以外の粉末を使用する場合には、その使用量は酸化物に換算したときの酸化物換算質量％で把握する。希土類元素（ＲＥ）化合物粉末の純度及び平均粒径はＡｌ化合物粉末と基本的に同様である。

これらの原料粉末は、通常、８時間以上にわたって混合されるのがよい。原料粉末の混合時間が８時間未満であると、原料粉末の混合状態が高度に均一にならず、得られる焼結体を高度に緻密化することができなくなることがある。

前記親水性結合剤としては、例えば、ポリビニルアルコール、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、前記溶媒としては、例えば、水、アルコール等を挙げることができる。これらの親水性結合剤及び溶媒は一種単独でも二種以上を併用することもできる。親水性結合剤及び溶媒の使用割合は、原料粉末を１００質量部としたときに、親水性結合剤は０．１〜５質量部（好ましくは０．５〜３質量部）とすることができ、また、溶媒として水を使用するのであれば４０〜１２０質量部（好ましくは５０〜１００質量部）とすることができる。

このようにして得られたスラリーは、例えば、平均粒径１．４μｍ以上５．０μｍ以下に調製することができる。次いで、このようにして得られたスラリーをスプレードライ法等により噴霧乾燥して平均粒径５０μｍ以上２００μｍ以下（好ましくは７０μｍ以上１５０μｍ以下）に造粒する。前記平均粒径はいずれも、レーザー回折法（ＨＯＲＩＢＡ製、「ＬＡ−７５０」）により測定した値である。

この造粒物を成形して成形体を得る。得られた成形体を必要に応じて切削、研磨等により所望の形状に加工し、その後、大気雰囲気で１４５０〜１６５０℃（より好ましくは１５００〜１６００℃）、１〜１０時間（より好ましくは２〜８時間）焼成してアルミナ基焼結体を得る。焼成温度が１４５０℃未満であると、又は、焼成時間が１時間未満であると、得られるアルミナ基焼結体を十分に緻密化させることができず、一方、焼成温度が１６５０℃を超えると、又は、焼成時間が１０時間を超えると焼成中にアルミナ粒子が異常粒成長し、得られるアルミナ基焼結体の耐電圧特性及び機械的強度が共に低下する傾向にある。

このようにしてアルミナ基焼結体を得る際に、例えば前記した方法に基づいて各条件を調整すると、前記条件（１）を満足し、好ましくはさらに前記条件（２）をも満足するＲＥ−β−アルミナ結晶相を有する極めて緻密なアルミナ基焼結体を得ることができる。そして、このアルミナ基焼結体は、例えば７００℃を超える高温環境下においても十分な耐電圧特性及び機械的強度を発揮できる。また、ＲＥ−β−アルミナ結晶相が前記組成式で示される組成を有していると、又は、前記２Ａ成分がＭｇ及びＢａを必須とするとともにＭｇ及びＢａを除く少なくとも他の一元素を含有する成分であり、前記ＲＥ成分がＬａ成分、Ｐｒ成分及びＮｄ成分からなる群より選択される少なくとも一種の成分であると、例えば７００℃を超える高温環境下においても耐電圧特性及び機械的強度をより一層高い水準で両立できる。したがって、このアルミナ基焼結体は、小型で薄肉化された絶縁体３を備えたスパークプラグ、及び、高出力化された内燃機関用のスパークプラグに使用される絶縁体３の材料として、特に好適である。このアルミナ基焼結体は、所望により、再度、その形状等を整形されてもよい。このようにして、アルミナ基焼結体及びこのアルミナ基焼結体で構成されたスパークプラグ１用の絶縁体３を作製することができる。

前記スパークプラグ１は、例えば次のようにして製造される。すなわち、Ｎｉ基合金等の電極材料を所定の形状に加工して中心電極２及び／又は接地電極６を作製する。電極材料の調整及び加工を連続して行うこともできる。例えば、真空溶解炉を用いて、所望の組成を有するＮｉ基合金等の溶湯を調製し、真空鋳造にて各溶湯から鋳塊を調製した後、この鋳塊を、熱間加工、線引き加工等して、所定の形状及び所定の寸法に適宜調整して、中心電極２及び／又は接地電極６を作製することができる。なお、内材８をカップ状に形成した外材７に挿入し、押し出し加工等の塑性加工にて中心電極２を形成することもできる。

次いで、所定の形状に塑性加工等によって形成した主体金具４の端面に、接地電極６の一端部を電気抵抗溶接等によって接合し、所望により１０％程度の塩酸及び水等により洗浄する。次いで、所定の形状及び寸法を有する絶縁体３を前記アルミナ基焼結体で作製し、中心電極２を絶縁体３に公知の手法により組み付け、接地電極６が接合された主体金具４にこの絶縁体３を組み付ける。そして、接地電極６の先端部を中心電極２側に折り曲げて、接地電極６の一端が中心電極２の先端部と対向するようにして、スパークプラグ１が製造される。

本発明に係るスパークプラグは、自動車用の内燃機関、例えばガソリンエンジン等の点火栓として使用され、内燃機関の燃焼室を区画形成するヘッド（図示せず）に設けられたネジ穴に前記ネジ部９が螺合されて、所定の位置に固定される。この発明に係るスパークプラグは、如何なる内燃機関にも使用することができるが、絶縁体３を形成するアルミナ基焼結体は、例えば７００℃を超える高温環境下においても十分な耐電圧特性及び機械的強度を発揮できるから、この発明に係るスパークプラグ１は、例えばネジ部９の呼び径が１０ｍｍ以下に調整される薄肉化された絶縁体を備えたスパークプラグが求められる、高出力化された内燃機関等に好適に使用されることができる。

この発明に係るスパークプラグは、前記した実施例に限定されることはなく、本願発明の目的を達成することができる範囲において、種々の変更が可能である。例えば、前記スパークプラグ１は、中心電極２の先端面と接地電極６における一端の表面とが、中心電極の軸線ＡＸ方向で、火花放電間隙Ｇを介して対向するように配置されているが、この発明において、中心電極の側面と接地電極における一端の先端面が、中心電極の半径方向で、火花放電間隙を介して対向するように配置されていてもよい。この場合に、中心電極の側面に対向する接地電極は単数が設けられても複数が設けられてもよい。

また、前記スパークプラグ１は、中心電極２及び接地電極６を備えているが、この発明においては、中心電極の先端部、及び／又は、接地電極の表面に、貴金属チップを備えていてもよい。中心電極の先端部及び接地電極の表面に形成される貴金属チップは、通常、円柱形状を有し、適宜の寸法に調整され、適宜の溶接手法、例えばレーザー溶接又は電気抵抗溶接により中心電極の先端部、接地電極の表面に溶融固着される。中心電極の先端部に形成された貴金属チップの表面と接地電極の表面に形成された貴金属チップの表面とで前記火花放電間隙が形成される。この貴金属チップを形成する材料は、例えば、Ｐｔ、Ｐｔ合金、Ｉｒ、Ｉｒ合金等の貴金属が挙げられる。

平均粒径２．２μｍ、純度９９．５％以上のアルミナ粉末（不可避不純物としてアルカリ金属の１種であるＮａを微量含有）と、平均粒径２．８μｍ、純度９９．５％以上のＳｉＯ_２粉末と、平均粒径６．０μｍ、純度９９．５％以上のＭｇＣＯ_３粉末と、平均粒径２．０μｍ、純度９９．５％以上のＣａＣＯ_３粉末と、平均粒径５．０μｍ、純度９９．５％以上のＢａＣＯ_３粉末と、平均粒径２．０μｍ、純度９９．５％以上のＳｒＣＯ_３粉末と、平均粒径９．０μｍ、純度９９．５％以上のＬａ_２Ｏ_３粉末と、平均粒径６．０μｍ、純度９９．５％以上のＣｅＯ_２粉末と、平均粒径４．０μｍ、純度９９．５％以上のＮｄ_２Ｏ_３粉末と、平均粒径４．０μｍ、純度９９．５％以上のＰｒ_２Ｏ_３粉末とを、所定の割合で、秤量し混合して、原料粉末とした。

この原料粉末それぞれを樹脂製のポット（容量２．４Ｌ）に投入し、直径１０ｍｍのアルミナ玉石を用いて混合粉砕した後、親水性結合剤（混合粉砕した原料粉末１００質量部に対して２質量部）を添加混合してスラリーとした。各スラリーの平均粒径をレーザー回折法（ＨＯＲＩＢＡ製、「ＬＡ−７５０」）により測定した結果を第１表に示す。このスラリーをスプレードライ法により噴霧乾燥して、レーザー回折法による平均粒径が約１００μｍの粉末に、造粒した。

造粒した粉末を１００ＭＰａの静水圧プレスで直径２３ｍｍの成形体に成形し、次いで、大気雰囲気下において所定の焼成温度で所定の焼成時間にわたって焼成して、アルミナ基焼結体を製造した。なお、原料粉末における混合比（原料粉末組成）と、アルミナ基焼結体を蛍光Ｘ線分析又は化学分析して算出した各成分の含有率（酸化物換算質量％）とはほぼ一致していた。

このようにして得られた各アルミナ基焼結体の表面をＸ線回折して、Ｌａ−β−アルミナのＪＣＰＤＳカードＮｏ．３３−６９９に相当するスペクトルが存在するか否かにより、Ｌａ−β−アルミナ構造の結晶相の有無を判断し、また、このＪＣＰＤＳカードと対比して、Ｐｒ−β−アルミナ、Ｃｅ−β−アルミナ、Ｎｄ−β−アルミナの各結晶相の有無を判断し、その結果を第１表に示した。なお、図３に、Ｌａ−β−アルミナ構造（ＬａＡｌ_１１Ｏ_１８）の結晶を有するアルミナ基焼結体（実施例１）のＸ線回折チャートを示した。

また、各アルミナ基焼結体の表面を鏡面研磨し、研磨面を焼成温度よりも１００℃低い温度で１０分にわたってサーマルエッチング処理をした。この処理を施した表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、前記したようにインターセプト法にてアルミナ結晶の平均結晶粒径Ｄ_Ａ（Ａｌ）を計測した。次いで、各アルミナ基焼結体の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察して、抽出した「薄色領域」の円相当直径を前記のようにして算出してＲＥ−β−アルミナ結晶相の結晶粒径Ｄ_Ｅ（ＲＥ）とし、さらに、この結晶粒径Ｄ_Ｅ（ＲＥ）の算術平均値をＲＥ−β−アルミナ結晶相の平均結晶粒径Ｄ_Ａ（ＲＥ）とした。このようにして算出されたアルミナ結晶の平均結晶粒径Ｄ_Ａ（Ａｌ）と、ＲＥ−β−アルミナ結晶相の結晶粒径Ｄ_Ｅ（ＲＥ）及び平均結晶粒径Ｄ_Ａ（ＲＥ）とから、Ｄ_Ａ（ＲＥ）／Ｄ_Ａ（Ａｌ）を求め、また、Ｄ_Ｅ（ＲＥ）／Ｄ_Ａ（Ａｌ）≧２となるＲＥ−β−アルミナ結晶相の数を計数した。これらの結果を第１表に示した。第１表において、比較例２及び３の記号「−」はＲＥ−β−アルミナ結晶相が存在しないために算出できないことを示す。

さらに、実施例１〜７及び比較例１の各アルミナ基焼結体に存在するＲＥ−β−アルミナ結晶相を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）付属のエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）を用いて前記測定条件で元素分析して、前記組成式におけるｘ、ｙ及びｚを求め、ＲＥ−β−アルミナ結晶相の組成を確認した。その結果を第１表に示す。

（耐電圧特性）
実施例並びに比較例２及び３における前記アルミナ基焼結体の製造と同様にして、直径１８ｍｍ、厚み０．６ｍｍの円板状試験片をそれぞれ作製して、図２に示される耐電圧測定装置２０を用いて、７００℃及び８００℃それぞれにおける耐電圧値を測定した。この耐電圧測定装置２０は、図２に示されるように、加熱用ボックス２２内において、前記円板状試験片２１の軸線方向から、前記円板状試験片２１を、高電圧発生装置（ＣＤＩ電源）２７に接続された電極２３ａ及び接地された電極２３ｂで、前記軸線方向に挟持する。また、前記円板状試験片２１の軸線方向から、前記円板状試験片２１を、電極２３ａ及び電極２３ｂを囲繞するようにアルミナ製碍筒２４ａ及び２４ｂで、前記軸線方向に挟持する。さらに、前記円板状試験片２１の表裏面とアルミナ製碍筒２４ａ及び２４ｂとの接触部を碍筒２４ａ及び２４ｂの全周にわたってＳｉＯ_２系の封着ガラス２５により固定する。なお、前記電極２３ａ及び電極２３ｂにおいて、円板状試験片２１に接する先端部は、先端部に向かって徐々に径が縮小するテーパ状になっており、円板状試験片２１との接触面積は約０．７５ｍｍ^２であった。また、電極２３ａ及び２３ｂはそれぞれ、加熱用ボックス２２との間で放電が発生するのを防止するために、その外周面がアルミナ製碍筒２８ａ及び２８ｂで覆われている。この耐電圧測定装置２０を用いて、電熱ヒータ２６で７００℃又は８００℃に調整された加熱用ボックス２２内で、数十ｋＶ程度の高電圧を円板状試験片２１に印加することのできる高電圧発生装置２７で円板状試験片２１に一定の高電圧を印加して、前記円板状試験片２１に絶縁破壊が発生したときの電圧値を円板状試験片２１の「耐電圧値」として測定した。７００℃及び８００℃での「耐電圧値」から、７００℃での「耐電圧値」に対する８００℃での「耐電圧値」の比（第２表において「耐電圧値の低下率」と表記する。）を算出した。７００℃及び８００℃での「耐電圧値」並びに「耐電圧値の低下率」を第２表に示す。

同様にして、比較例１における前記アルミナ基焼結体の製造と同様にして前記円板状試験片をそれぞれ作製して、７００℃での耐電圧値を測定した。比較例１の測定値は、５７ｋＶ／ｍｍであった。

（機械的強度）
実施例並びに比較例２及び３における前記アルミナ基焼結体の製造と同様にして、４８ｍｍ×４ｍｍ×３ｍｍの試験片をそれぞれ作製して、ＪＩＳ Ｒ１６０４に規定された測定方法に準拠して、常温（約２５℃）及び９５０℃における３点曲げ強度（スパン３０ｍｍ）を測定した。なお、９５０℃における３点曲げ強度を「高温強度」と称する。常温での強度に対する９５０℃での「高温強度」の比（第２表において「強度の低下率」と表記する。）を算出した。常温での強度及び９５０℃での高温強度並びに「強度の低下率」を第２表に示す。

同様にして、比較例１における前記アルミナ基焼結体の製造と同様にして前記試験片をそれぞれ作製して、常温での３点曲げ強度を測定した。比較例１の測定値は、３６０ＭＰａであった。

第１表及び第２表に示されるように、Ｓｉ成分と２Ａ成分とＲＥ成分とを含有し、条件（１）を満足するＲＥ−β−アルミナ結晶相を有するアルミナ基焼結体（実施例１〜７）は、７００℃での耐電圧値が５７ｋＶ／ｍｍ以上と高いうえ、特に、実施例１〜７は、８００℃での耐電圧値も実用上十分なものであり、さらに、９５０℃での高温強度も実用上十分なものであった。

さらに、実施例１〜７はいずれも、前記条件（２）を満足するＲＥ−β−アルミナ結晶相が前記組成式を満たす組成を有しており、また、２Ａ成分がＭｇ及びＢａを必須とするとともにＭｇ及びＢａを除く少なくとも他の一元素を含有する成分であり、ＲＥ成分がＬａ成分、Ｐｒ成分又はＮｄ成分であるから、より一層高い８００℃での耐電圧値及び９５０℃での高温強度を発揮した。

これに対して、ＲＥ−β−アルミナ結晶相を有しているものの前記条件（１）及び（２）のいずれをも満足しない比較例１は、常温での強度が３６０ＭＰａと弱く、また、アルミナの平均結晶粒径Ｄ_Ａ（Ａｌ）に対し平均結晶粒径Ｄ_Ａ（ＲＥ）又は結晶粒径Ｄ_Ｅ（ＲＥ）の大きなＲＥ−β−アルミナ結晶相が存在することにより、アルミナ基焼結体の緻密化が阻害される理由から、８００℃での耐電圧値及び９５０℃での高温強度が共に実用上不十分であることが容易に推測される。比較例２はＲＥ成分を含有しているもののＲＥ−β−アルミナ結晶相を有してなく、比較例３はそもそもＲＥ成分を含有しないから、当然に前記条件（１）及び（２）を満足するはずがなく、第１表及び第２表に示されるように、比較例２及び３はいずれも、８００℃での耐電圧値も９５０℃での高温強度も実用上不十分なものであった。

第１表および第２表に示されるように、ＲＥ−β−アルミナ結晶相が、透過型電子顕微鏡で観察したときに、直径０．３ｎｍの円形のスポットのうち、前記ヘキサアルミネート結晶の存在が確認されたスポットにおいて、アルカリ金属成分を酸化物換算で０．０１〜８質量％含有していない実施例２及び３に比べて、この数値範囲を満たす実施例１及び４〜７は、環境温度が７００℃から８００℃に変化したときに耐電圧及び高温強度が低下し難くなっている。

また、第１表および第２表に示されるように、スラリー中の前記アルミナ原料の平均粒径と前記副原料の平均粒径との粒径比（Ｄ_{アルミナ原料}／Ｄ_副原料）が１．３≦Ｄ_{アルミナ原料}／Ｄ_副原料≦４を満たしていない比較例１〜３に比べて、この数値範囲を満たす実施例１〜７は、前記条件（１）及び（２）を満たすＲＥ−β−アルミナ結晶相を効率的に生成させることができた。

＜スパークプラグ１の製造＞
まず、Ｎｉ基合金を用いて定法に従い、接地電極６として断面寸法１．６ｍｍ×２．７ｍｍの線材を作製した。銅からなる円柱状の内材８と、前記Ｎｉ基合金でカップ状に形成した外材７とをそれぞれ作製した。そして、作製した内材８を外材７に挿入し、押し出し加工等の塑性加工にて、内材８と外材７とからなる直径４ｍｍの中心電極２を作製した。次いで、所定の形状及び寸法（特にネジ部の呼び径は１０ｍｍ）に塑性加工及び転造加工によって形成した主体金具４の端面に、接地電極６の一端部を電機抵抗溶接で接合した。次いで、実施例１〜７と同様にしてアルミナ基焼結体で構成された絶縁体３を作製した。なお、絶縁体３は、原料粉末を造粒し、その造粒した粉末を静水圧プレスにて成形体に成形後、焼成前に研削されて自身の形状が整えられる研削整形工程を経て焼成されて作製される。次いで、中心電極２を絶縁体３に組み付け、さらに、接地電極６が接合された主体金具４にこの絶縁体３を組み付けた。次いで、接地電極６の先端部を中心電極２側に折り曲げて、接地電極６の一端が中心電極２の先端部と対向するようにして、スパークプラグ１を製造した。このようにして製造したスパークプラグ１は、第１表及び第２表と同様の結果が得られた。このように、前記アルミナ基焼結体は、小型で薄肉化された絶縁体３を備えたスパークプラグに用いられる絶縁体、及び、高出力化された内燃機関用のスパークプラグ等に用いられる絶縁体として特に好適である。そして、このアルミナ基焼結体で形成した絶縁体３を備えたスパークプラグは、絶縁体の厚さが薄くされていても、また、高出力化された内燃機関に用いられても、例えば７００℃を超える高温下において十分な耐電圧特性及び機械的強度を発揮した。特に、実施例１〜７と同様にして作製した絶縁体３を備えた各スパークプラグは、前記特性に加えてさらに高い耐電圧値及び機械的強度を発揮した。

１ スパークプラグ
２ 中心電極
３ 絶縁体
４ 主体金具
６ 接地電極
７ 外材
８ 内材
９ ネジ部
Ｇ 火花放電間隙
２０ 耐電圧測定装置
２１ 円板状試験片
２２ 加熱用ボックス
２３ａ、２３ｂ 電極
２４ａ、２４ｂ、２８ａ、２８ｂ アルミナ製碍筒
２５ 封着ガラス
２６ 電熱ヒータ
２７ 高電圧発生装置（ＣＤＩ電源）

Claims (6)

1. 中心電極と、前記中心電極の外周に設けられた略円筒状の絶縁体と、一端が前記中心電極と火花放電間隙を介して対向するように配置された接地電極とを備えたスパークプラグであって、
   前記絶縁体は、Ｓｉ成分と、ＩＵＰＡＣ１９９０年勧告に基づく周期表の第２族元素成分（以下、２Ａ成分と称する。）と、希土類元素成分（以下、ＲＥ成分と称する。）とを含有するアルミナ基焼結体で構成され、
   前記アルミナ基焼結体は、前記ＲＥ成分を少なくとも含むＲＥ−β−アルミナ結晶相を有し、このＲＥ−β−アルミナ結晶相の平均結晶粒径Ｄ_Ａ（ＲＥ）とアルミナの平均結晶粒径Ｄ_Ａ（Ａｌ）とが下記条件（１）を満足し、
   前記ＲＥ−β−アルミナ結晶相のうち、その結晶粒径Ｄ _Ｅ （ＲＥ）とアルミナの前記平均結晶粒径Ｄ _Ａ （Ａｌ）とが下記条件（２）を満足するＲＥ−β−アルミナ結晶相が３個以下であることを特徴とするスパークプラグ。
   条件（１）：０．２≦Ｄ_Ａ（ＲＥ）／Ｄ_Ａ（Ａｌ）≦３．０
   条件（２）：Ｄ _Ｅ （ＲＥ）／Ｄ _Ａ （Ａｌ）≧２
2. 前記ＲＥ−β−アルミナ結晶相は、組成式：ＲＥ（２Ａ）_ｘ（Ａｌ）_ｙＯ_ｚ（前記ｘ、ｙ及びｚはそれぞれ、ｘ＝０〜２．５、ｙ＝１１〜１６及びｚ＝１８〜２８である。）で示される組成を有していることを特徴とする請求項１に記載のスパークプラグ。
3. 前記ＲＥ−β−アルミナ結晶相は、透過型電子顕微鏡で観察したときに、直径０．３ｎｍの円形のスポットのうち、前記ヘキサアルミネート結晶の存在が確認されたスポットにおいて、アルカリ金属成分を酸化物換算で０．０１〜８質量％含有することを特徴とする請求項１又は２に記載のスパークプラグ。
4. 前記アルミナ基焼結体は、アルミナ原料と、前記Ｓｉ成分、Ｍｇ成分及び前記第２Ａ成分、並びに前記ＲＥ成分から成る副原料とをスラリー中で混合して造粒した後に成形及び焼成して成り、前記スラリー中の前記アルミナ原料の平均粒径と前記副原料の平均粒径との粒径比（Ｄ_{アルミナ原料}／Ｄ_副原料）が１．３≦Ｄ_{アルミナ原料}／Ｄ_副原料≦４を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスパークプラグ。
5. 前記２Ａ成分は、ＩＵＰＡＣ１９９０年勧告に基づく周期表の第２族元素のうちＭｇ及びＢａを必須とするとともにＭｇ及びＢａを除く少なくとも他の一元素を含有する成分であり、
   前記ＲＥ成分は、Ｌａ成分、Ｐｒ成分及びＮｄ成分からなる群より選択される少なくとも一種の成分であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスパークプラグ。
6. 前記絶縁体は主体金具に保持されてなり、当該主体金具の外周面に形成されたネジ部の呼び径が１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のスパークプラグ。

Images