JP4648476B1 - 内燃機関用スパークプラグ - Google Patents
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Abstract
【課題】抵抗体の抵抗値の急激な増大を抑制し、優れた負荷寿命性能を実現する。
【解決手段】スパークプラグ１は抵抗体７を備える。抵抗体７は、少なくとも導電性材料４３及びガラス粉末を含む抵抗体組成物５６を加熱封着することにより形成される。ガラス粉末は、ＳｉＯ2を３５．０ｍｏｌ％以上６９．８ｍｏｌ％以下、Ｂ2Ｏ3を１５．０ｍｏｌ％以上４９．８ｍｏｌ％以下、Ｌｉ2Ｏを５．０ｍｏｌ％以上２０．０ｍｏｌ％以下含有し、添加物質として、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、ＺｎＯ、及び、ＺｒＯ2のうち少なくとも１種を含有し、これら添加物質の総含有量が２．６ｍｏｌ％以上２５．０ｍｏｌ％以下とされる。さらに、ガラス粉末は、Ｌｉ2Ｏ及び添加物質の総含有量が１５．２ｍｏｌ％以上４５．０ｍｏｌ％以下とされ、添加物質の総含有量に対するＬｉ2Ｏの含有量の比が１．３以上５．０以下とされる。
【選択図】 図１
【解決手段】スパークプラグ１は抵抗体７を備える。抵抗体７は、少なくとも導電性材料４３及びガラス粉末を含む抵抗体組成物５６を加熱封着することにより形成される。ガラス粉末は、ＳｉＯ2を３５．０ｍｏｌ％以上６９．８ｍｏｌ％以下、Ｂ2Ｏ3を１５．０ｍｏｌ％以上４９．８ｍｏｌ％以下、Ｌｉ2Ｏを５．０ｍｏｌ％以上２０．０ｍｏｌ％以下含有し、添加物質として、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、ＺｎＯ、及び、ＺｒＯ2のうち少なくとも１種を含有し、これら添加物質の総含有量が２．６ｍｏｌ％以上２５．０ｍｏｌ％以下とされる。さらに、ガラス粉末は、Ｌｉ2Ｏ及び添加物質の総含有量が１５．２ｍｏｌ％以上４５．０ｍｏｌ％以下とされ、添加物質の総含有量に対するＬｉ2Ｏの含有量の比が１．３以上５．０以下とされる。
【選択図】 図１
Description
本発明は、内燃機関に用いられるスパークプラグに関する。
スパークプラグは、内燃機関（エンジン）に取付けられ、燃焼室内の混合気への着火のために用いられるものである。一般的にスパークプラグは、軸孔を有する絶縁体と、軸孔の先端側に挿通される中心電極と、軸孔の後端側に挿通される端子電極と、絶縁体の外周に設けられる主体金具とを備える。また、軸孔内であって、中心電極及び端子電極の間には、内燃機関の動作に伴い発生する電波雑音を抑制するための抵抗体が設けられる（例えば、特許文献１等参照）。
一般的に抵抗体は、主として、カーボンブラック等の導電性材料と、セラミックス粒子（例えば、ガラス粉末等）とからなる抵抗体組成物を加熱封着することによって構成される。ここで、抵抗体内においては、導電性材料がガラスを覆うようにして存在しており、当該導電性材料によって両電極間を電気的に接続する多数の導電経路が形成される。このように多数の導電経路が形成されることによって、電気的負荷による酸化等で導電経路が多少損なわれてしまったとしても、抵抗値が急激に増大してしまうといった事態を効果的に抑制できるようになっている。
ところが、近年、エンジンの高出力化に伴い、スパークプラグの要求電圧が高くなってきており、抵抗体に対して従前よりも大きな電気的負荷が加わってしまうおそれがある。そのため、酸化等により導電経路が急速に損なわれてしまうおそれがあり、抵抗体の抵抗値の急激な増大、ひいては比較的早い段階での失火（火花放電が行えなくなってしまうこと）が懸念される。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、抵抗体の抵抗値の急激な増大を抑制し、優れた負荷寿命性能を実現することができる内燃機関用スパークプラグを提供することにある。
以下、上記目的を解決するのに適した各構成につき、項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する構成に特有の作用効果を付記する。
構成１．本構成の内燃機関用スパークプラグは、軸線方向に貫通する軸孔を有する筒状の絶縁体と、
前記軸孔の一端側に挿設された中心電極と、
前記軸孔の他端側に挿設された端子電極と、
前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
前記軸孔内において、少なくとも導電性材料及びガラスからなり、前記中心電極及び前記端子電極を電気的に接続する抵抗体とを備えた内燃機関用スパークプラグであって、
前記抵抗体は、少なくとも導電性材料及びガラス粉末を含む抵抗体組成物を加熱封着することにより形成され、
前記ガラス粉末は、二酸化珪素（ＳｉＯ2）を３５．０ｍｏｌ％以上６９．８ｍｏｌ％以下、酸化ボロン（Ｂ2Ｏ3）を１５．０ｍｏｌ％以上４９．８ｍｏｌ％以下、酸化リチウム（Ｌｉ2Ｏ）を５．０ｍｏｌ％以上２０．０ｍｏｌ％以下含有し、
添加物質として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化ナトリウム（Ｎａ2Ｏ）、酸化カリウム（Ｋ2Ｏ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、及び、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）のうち少なくとも１種を含有し、これらの総含有量が２．６ｍｏｌ％以上２５．０ｍｏｌ％以下とされるとともに、
Ｌｉ2Ｏ、及び、前記添加物質の総含有量が１５．２ｍｏｌ％以上４５．０ｍｏｌ％以下であり、
前記添加物質の総含有量に対するＬｉ2Ｏの含有量の比が１．３以上５．０以下であることを特徴とする。
前記軸孔の一端側に挿設された中心電極と、
前記軸孔の他端側に挿設された端子電極と、
前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
前記軸孔内において、少なくとも導電性材料及びガラスからなり、前記中心電極及び前記端子電極を電気的に接続する抵抗体とを備えた内燃機関用スパークプラグであって、
前記抵抗体は、少なくとも導電性材料及びガラス粉末を含む抵抗体組成物を加熱封着することにより形成され、
前記ガラス粉末は、二酸化珪素（ＳｉＯ2）を３５．０ｍｏｌ％以上６９．８ｍｏｌ％以下、酸化ボロン（Ｂ2Ｏ3）を１５．０ｍｏｌ％以上４９．８ｍｏｌ％以下、酸化リチウム（Ｌｉ2Ｏ）を５．０ｍｏｌ％以上２０．０ｍｏｌ％以下含有し、
添加物質として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化ナトリウム（Ｎａ2Ｏ）、酸化カリウム（Ｋ2Ｏ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、及び、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）のうち少なくとも１種を含有し、これらの総含有量が２．６ｍｏｌ％以上２５．０ｍｏｌ％以下とされるとともに、
Ｌｉ2Ｏ、及び、前記添加物質の総含有量が１５．２ｍｏｌ％以上４５．０ｍｏｌ％以下であり、
前記添加物質の総含有量に対するＬｉ2Ｏの含有量の比が１．３以上５．０以下であることを特徴とする。
抵抗体組成物を構成するガラス粉末は、一般にＳｉＯ2やＢ2Ｏ3を主成分として構成され、また、加熱時における溶け性等を十分に確保する等の点から、Ｌｉ2ＯやＢａＯ、ＭｇＯなどの添加物質が含有され得る。ここで、本願発明者がＬｉやＢａＯ等の添加物質の作用について検討したところ、Ｌｉや添加物質の含有量は抵抗体の負荷寿命性能に大きな影響を与え、Ｌｉや添加物質の含有量を適切に調節することにより、負荷寿命性能の飛躍的な向上が可能であることが見出された。
ここで、上記構成１によれば、ガラス粉末は、Ｌｉ2Ｏの含有量が５．０ｍｏｌ％以上２０．０ｍｏｌ％以下、ＢａＯ等の添加物質の総含有量が２．６ｍｏｌ％以上２５．０ｍｏｌ％以下、Ｌｉ2Ｏ及び添加物質の総含有量が１５．２ｍｏｌ％以上４５．０ｍｏｌ％以下とされるとともに、添加物質の総含有量（Ｘ）に対するＬｉ2Ｏの含有量（Ｙ）の比（Ｙ／Ｘ）が１．３以上５．０以下とされている。このようにＬｉ2ＯやＢａＯ等の添加物質の含有量などを適切に調節することで、抵抗体の負荷寿命性能を飛躍的に向上させることができる。
尚、ＳｉＯ2やＢ2Ｏ3の含有量が上述の範囲外となると、加熱時におけるガラスの溶け性が低下してしまい、負荷寿命性能を十分に向上させることができないおそれがある。
構成２．本構成の内燃機関用スパークプラグは、軸線方向に貫通する軸孔を有する筒状の絶縁体と、
前記軸孔の一端側に挿設された中心電極と、
前記軸孔の他端側に挿設された端子電極と、
前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
前記軸孔内において、少なくとも導電性材料及びガラスからなり、前記中心電極及び前記端子電極を電気的に接続する抵抗体とを備えた内燃機関用スパークプラグであって、
前記抵抗体は、少なくとも導電性材料及びガラス粉末を含む抵抗体組成物を加熱封着することにより形成され、
前記ガラス粉末は、ＳｉＯ2を３５．０ｍｏｌ％以上６９．８ｍｏｌ％以下、Ｂ2Ｏ3を１５．０ｍｏｌ％以上４９．８ｍｏｌ％以下、Ｌｉ2Ｏを５．０ｍｏｌ％以上２０．０ｍｏｌ％以下含有し、
添加物質として、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、ＺｎＯ、及び、ＺｒＯ2のうち少なくとも１種を含有し、これらの総含有量が２．６ｍｏｌ％以上２５．０ｍｏｌ％以下とされるとともに、
Ｌｉ2Ｏ、及び、前記添加物質の総含有量が１７．２ｍｏｌ％以上４５．０ｍｏｌ％以下とされることを特徴とする。
前記軸孔の一端側に挿設された中心電極と、
前記軸孔の他端側に挿設された端子電極と、
前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
前記軸孔内において、少なくとも導電性材料及びガラスからなり、前記中心電極及び前記端子電極を電気的に接続する抵抗体とを備えた内燃機関用スパークプラグであって、
前記抵抗体は、少なくとも導電性材料及びガラス粉末を含む抵抗体組成物を加熱封着することにより形成され、
前記ガラス粉末は、ＳｉＯ2を３５．０ｍｏｌ％以上６９．８ｍｏｌ％以下、Ｂ2Ｏ3を１５．０ｍｏｌ％以上４９．８ｍｏｌ％以下、Ｌｉ2Ｏを５．０ｍｏｌ％以上２０．０ｍｏｌ％以下含有し、
添加物質として、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、ＺｎＯ、及び、ＺｒＯ2のうち少なくとも１種を含有し、これらの総含有量が２．６ｍｏｌ％以上２５．０ｍｏｌ％以下とされるとともに、
Ｌｉ2Ｏ、及び、前記添加物質の総含有量が１７．２ｍｏｌ％以上４５．０ｍｏｌ％以下とされることを特徴とする。
上記構成２によれば、Ｌｉ2Ｏ及び添加物質の総含有量が１７．２ｍｏｌ％以上４５．０ｍｏｌ％以下とされる。そのため、添加物質の総含有量に対するＬｉ2Ｏの含有量の比が、例えば１．３未満であっても、抵抗体の負荷寿命性能を飛躍的に向上させることができる。
構成３．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１において、前記ガラス粉末は、Ｌｉ2Ｏ、及び、前記添加物質の総含有量が１７．２ｍｏｌ％以上４５．０ｍｏｌ％以下であることを特徴とする。
上記構成３によれば、添加物質の総含有量に対するＬｉ2Ｏの含有量の比が１．３以上５．０以下とされた上で、Ｌｉ2Ｏ及び添加物質の総含有量が１７．２ｍｏｌ％以上とされる。そのため、抵抗体の負荷寿命性能をより一層向上させることができる。
構成４．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１乃至３のいずれかにおいて、前記ガラス粉末は、Ｎａ2Ｏ及びＫ2Ｏの総含有量が２．０ｍｏｌ％以下であることを特徴とする。
ガラス粉末中におけるＮａ2ＯやＫ2Ｏの含有量を増大させると、それに伴い抵抗体の抵抗値が増大することとなる。従って、抵抗体の抵抗値を所望の値とするためには、導電性材料をより多く含有させる必要があるが、導電性材料の含有量を増大させると、各製品間において抵抗体の抵抗値にバラツキが生じやすくなってしまうおそれがある。
この点、上記構成４によれば、Ｎａ2Ｏ及びＫ2Ｏの総含有量が２．０ｍｏｌ％以下とされている。そのため、抵抗体の抵抗値を所望の抵抗値とするために、導電性材料の含有量を増大させる必要がなく、ひいては抵抗体の抵抗値にバラツキが生じてしまうことをより確実に防止することができる。
尚、抵抗体の抵抗値のバラツキをより確実に防止するという観点からは、Ｎａ2Ｏ及びＫ2Ｏの総含有量を１．０ｍｏｌ％以下とすることがより好ましい。
構成５．本構成の内燃機関用スパークプラグは、上記構成１乃至４のいずれかにおいて、前記抵抗体の外径が３．０ｍｍ未満であることを特徴とする。
近年、スパークプラグの小型化（小径化）の要請があり、軸孔及び当該軸孔に配設される抵抗体の小径化が行われ得る。ところが、抵抗体を小径化すると、抵抗体内部において単位面積当たりの電気的負荷がより増大してしまう。そのため、小径化された抵抗体においては、十分な負荷寿命性能を確保することが難しい。
この点、上記構成５の抵抗体は、外径が３．０ｍｍ未満と小径化されており、十分な負荷寿命性能を確保することが困難なものであるが、上述の構成１等を満たすことで、優れた負荷寿命性能を実現することができる。換言すれば、上記各構成は、抵抗体の外径が３．０ｍｍ未満とされる場合において、特に有意であるといえる。
以下に、一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、内燃機関用スパークプラグ（以下、「スパークプラグ」と称す）１を示す一部破断正面図である。尚、図１では、スパークプラグ１の軸線ＣＬ１方向を図面における上下方向とし、下側をスパークプラグ１の先端側、上側を後端側として説明する。
スパークプラグ１は、筒状をなす絶縁体としての絶縁碍子２、これを保持する筒状の主体金具３などから構成されるものである。
絶縁碍子２は、周知のようにアルミナ等を焼成して形成されており、その外形部において、後端側に形成された後端側胴部１０と、当該後端側胴部１０よりも先端側において径方向外向きに突出形成された大径部１１と、当該大径部１１よりも先端側においてこれよりも細径に形成された中胴部１２と、当該中胴部１２よりも先端側においてこれより細径に形成された脚長部１３とを備えている。絶縁碍子２のうち、大径部１１、中胴部１２、及び、大部分の脚長部１３は、主体金具３の内部に収容されている。そして、中胴部１２と脚長部１３との連接部には、先端側に向けて先細るテーパ部１４が形成されており、当該テーパ部１４にて絶縁碍子２が主体金具３に係止されている。
さらに、絶縁碍子２には、軸線ＣＬ１に沿って軸孔４が貫通形成されている。当該軸孔４は、その先端部に小径部１５を備えるとともに、当該小径部１５の後端側に、小径部１５より内径の大きい大径部１６を備えている。また、前記小径部１５及び大径部１６の間には、テーパ状の段差部１７が形成されている。
加えて、軸孔４の先端部側（小径部１５）には中心電極５が挿入、固定されている。より詳しくは、中心電極５の後端部には、外周側に向けて膨出する膨出部１８が形成されており、当該膨出部１８が前記段差部１７に対して係止された状態で、中心電極５が固定されている。また、中心電極５は、銅又は銅合金からなる内層５Ａと、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするＮｉ合金からなる外層５Ｂとにより構成されている。尚、中心電極５は、全体として棒状（円柱状）をなし、その先端部が絶縁碍子２の先端から突出している。加えて、中心電極５の先端部分には、貴金属合金（例えば、白金合金等）からなる貴金属チップ３２が接合されている。
また、軸孔４の後端部側（大径部１６）には、絶縁碍子２の後端から突出した状態で端子電極６が挿入、固定されている。
さらに、軸孔４の中心電極５と端子電極６との間には、円柱状の抵抗体７が配設されている。当該抵抗体７は、導電性材料やガラス粉末等からなる抵抗体組成物（後に詳述する）が加熱封着されることで形成されている。加えて、抵抗体７の両端部は、導電性のガラスシール層８，９を介して、中心電極５と端子電極６とにそれぞれ電気的に接続されている。尚、本実施形態では、スパークプラグ１の小型化（小径化）に伴い、軸孔４の小径化が図られている。そのため、軸孔４内に配設される抵抗体７の外径は３．０ｍｍ未満とされている。
加えて、前記主体金具３は、低炭素鋼等の金属により筒状に形成されており、その外周面にはスパークプラグ１をエンジンヘッドに取付けるためのねじ部（雄ねじ部）１９が形成されている。また、ねじ部１９の後端側の外周面には座部２０が形成され、ねじ部１９後端のねじ首２１にはリング状のガスケット２２が嵌め込まれている。さらに、主体金具３の後端側には、主体金具３をエンジンヘッドに取付ける際にレンチ等の工具を係合させるための断面六角形状の工具係合部２３が設けられるとともに、後端部において絶縁碍子２を保持するための加締め部２４が設けられている。
また、主体金具３の内周面の先端側には、絶縁碍子２を係止するためのテーパ状の段部２５が設けられている。そして、絶縁碍子２は、主体金具３の後端側から先端側に向かって挿入され、自身のテーパ部１４が主体金具３の段部２５に係止された状態で、主体金具３の後端側の開口部を径方向内側に加締めること、つまり上記加締め部２４を形成することによって固定される。尚、テーパ部１４、及び、段部２５間には、円環状の板パッキン２６が介在されている。これにより、燃焼室内の気密性を保持し、燃焼室内に晒される絶縁碍子２の脚長部１３と主体金具３の内周面との隙間に入り込む燃料ガスが外部に漏れないようになっている。
さらに、加締めによる密閉をより完全なものとするため、主体金具３の後端側においては、主体金具３と絶縁碍子２との間に環状のリング部材２７，２８が介在され、リング部材２７，２８間にはタルク（滑石）２９の粉末が充填されている。すなわち、主体金具３は、板パッキン２６、リング部材２７，２８及びタルク２９を介して絶縁碍子２を保持している。
また、主体金具３の先端部３０には、接地電極３１が接合されている。より詳しくは、接地電極３１は、前記主体金具３の先端部３０に対してその基端部が溶接されるとともに、先端側が曲げ返されて、その側面が中心電極５の先端部（貴金属チップ３２）と対向するように配置されている。そして、貴金属チップ３２の先端面と接地電極３１の先端部との間に、火花放電間隙３３が形成されている。尚、接地電極３１は、外層３１Ａ及び内層３１Ｂからなる２層構造となっている。前記外層３１ＡはＮｉ合金〔例えば、インコネル６００やインコネル６０１（いずれも登録商標）〕によって構成されている。また、前記内層３１Ｂは、前記Ｎｉ合金よりも良熱導電性金属である銅合金又は純銅によって構成されている。
次いで、抵抗体７について詳述する。抵抗体７は、上述したように導電性材料及びガラス粉末を含む抵抗体組成物が加熱封着されることで形成されたものであり、図２（図２は、抵抗体７の拡大断面模式図である）に示すように、加熱後のガラス粉末であるガラス４１と、当該ガラス４１を覆うようにして存在する導電経路４２（図２中、散点模様を付した部位）とから構成されている。また、前記導電経路４２は、図３に示すように、導電性材料としてのカーボンブラック４３（図３中、散点模様を付した部位）と、セラミックス粒子〔例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）粒子や酸化チタン（ＴｉＯ2）粒子等〕４４とから構成されている。本実施形態においては、抵抗体７中におけるガラス４１の体積割合が８０ｖｏｌ％以上とされている。
さらに、本実施形態において、前記抵抗体組成物を構成するガラス粉末は、ＳｉＯ2を３５．０ｍｏｌ％以上６９．８ｍｏｌ％以下、Ｂ2Ｏ3を１５．０ｍｏｌ％以上４９．８ｍｏｌ％以下、Ｌｉ2Ｏを５．０ｍｏｌ％以上２０．０ｍｏｌ％以下含有するとともに、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、ＺｎＯ、及び、ＺｒＯ2（以下、これら８種の物質を添加物質という）のうち少なくとも１種を含有し、かつ、これらの総含有量が２．６ｍｏｌ％以上２５．０ｍｏｌ％以下のものとされている。
さらに、ガラス粉末においては、Ｌｉ2Ｏと前記添加物質との総含有量が１５．２ｍｏｌ％以上４５．０ｍｏｌ％以下とされるとともに、添加物質の総含有量に対するＬｉ2Ｏの含有量の比が１．３以上５．０以下（望ましくは１．４以上５．０以下、より望ましくは１．５以上４．６以下）とされている。すなわち、ガラス粉末には、添加物質の総含有量の１．３倍から５．０倍（望ましくは１．４倍から５．０倍、より望ましくは１．５倍から４．６倍）のＬｉ2Ｏが含有されている。
尚、ガラス粉末中におけるＬｉ2Ｏ及び添加物質の総含有量や、添加物質の総含有量に対するＬｉ2Ｏの含有量の比は、次のように変更することができる。すなわち、添加物質の総含有量に対するＬｉ2Ｏの含有量の比を特に限定することなく、Ｌｉ2Ｏ及び添加物質の総含有量を１７．２ｍｏｌ％以上４５．０ｍｏｌ％以下（望ましくは、１８．０ｍｏｌ％以上３６．０ｍｏｌ％以下、より望ましくは１９．１ｍｏｌ％以上３６．０ｍｏｌ％以下）としてもよい。
また、添加物質の総含有量に対するＬｉ2Ｏの含有量の比を１．３以上５．０以下に保ちつつ、Ｌｉ2Ｏ及び添加物質の総含有量を１７．２ｍｏｌ％以上４５．０ｍｏｌ％以下（望ましくは、１８．０ｍｏｌ％以上３６．０ｍｏｌ％以下、より望ましくは１９．１ｍｏｌ％以上３６．０ｍｏｌ％以下）としてもよい。
加えて、本実施形態においては、前記添加物質のうちＮａ2Ｏ及びＫ2Ｏの総含有量が０．０ｍｏｌ％以上２．０ｍｏｌ％以下と比較的少量に抑制されている。尚、Ｎａ2ＯやＫ2Ｏを含有することなくガラス粉末を構成することとしてもよい。
次に、上記のように構成されてなるスパークプラグ１の製造方法について説明する。
まず、主体金具３を予め加工しておく。すなわち、円柱状の金属素材（例えばＳ１７ＣやＳ２５Ｃといった鉄系素材やステンレス素材）に冷間鍛造加工により貫通孔を形成し、概形を製造する。その後、切削加工を施すことで外形を整え、主体金具中間体を得る。
続いて、主体金具中間体の先端面に、Ｎｉ合金等からなる接地電極３１が抵抗溶接される。当該溶接に際してはいわゆる「ダレ」が生じるので、その「ダレ」を除去した後、主体金具中間体の所定部位にねじ部１９が転造によって形成される。これにより、接地電極３１の溶接された主体金具３が得られる。次いで、接地電極３１の溶接された主体金具３に、亜鉛メッキ或いはニッケルメッキが施される。尚、耐食性向上を図るべく、その表面に、さらにクロメート処理を施すこととしてもよい。
一方、前記主体金具３とは別に、絶縁碍子２を成形加工しておく。例えば、アルミナを主体としバインダ等を含む原料粉末を用い、成形用素地造粒物を調製し、これを用いてラバープレス成形を行うことで、筒状の成形体が得られる。そして、得られた成形体に対し、研削加工が施されることで整形される。さらに、整形されたものが焼成炉へ投入され焼成されることで、絶縁碍子２が得られる。
また、前記主体金具３、絶縁碍子２とは別に、中心電極５を製造しておく。すなわち、中央部に放熱性向上を図るための銅合金を配置したＮｉ合金を鍛造加工して中心電極５を作製する。次に、中心電極５の先端面に対して、レーザー溶接等により貴金属チップ３２を接合する。
さらに、抵抗体７を形成するための粉末状の抵抗体組成物を調製しておく。より詳しくは、まず、カーボンブラック５３と、セラミックス粒子５４と、所定のバインダとをそれぞれ配合し、水を媒体として混合する。そして、混合して得られたスラリーを乾燥させ、これに上述のガラス粉末を混合攪拌することで、抵抗体組成物が得られる。
次に、上記のようにして得られた絶縁碍子２及び中心電極５と、抵抗体７と、端子電極６とが、ガラスシール層８，９によって封着固定される。より詳しくは、まず、図４（ａ）に示すように、金属製で筒状をなす支持筒５１の先端面で、絶縁碍子２を支持しつつ、軸孔４の小径部１５に中心電極５を挿入する。このとき、中心電極５の膨出部１８が軸孔４の段差部１７に対して係止される。
次いで、図４（ｂ）に示すように、一般的にホウ珪酸ガラスと金属粉末とが混合されて調製された導電性ガラス粉末５５を軸孔４内に充填し、充填した導電性ガラス粉末５５を予備圧縮する。次に、抵抗体組成物５６を軸孔４に充填して同様に予備圧縮をし、さらに、導電性ガラス粉末５７を充填し、同じく予備圧縮を行う。そして、端子電極６を軸孔４内へと中心電極５の反対側から押圧した状態で、焼成炉内においてガラス軟化点以上の所定温度（本実施形態では、８００℃〜１０００℃）で加熱する。尚、加熱温度は、抵抗体組成物５６を構成するガラス粉末の組成等に応じて適宜変更することが望ましい。
加熱により、図４（ｃ）に示すように、積層状態にある抵抗体組成物５６及び導電性ガラス粉末５５，５７が、加熱・圧縮されて、抵抗体７及びガラスシール層８，９となり、絶縁碍子２及び中心電極５と、抵抗体７と、端子電極６とが、ガラスシール層８，９によって封着固定されることとなる。尚、焼成炉内における加熱に際して、絶縁碍子２の後端側胴部１０の表面に釉薬層を同時に焼成することとしてもよいし、事前に釉薬層を形成することとしてもよい。
その後、上記のようにそれぞれ作成された中心電極５や抵抗体７等を備える絶縁碍子２と、接地電極３１を備える主体金具３とが組付けられる。より詳しくは、比較的薄肉に形成された主体金具３の後端側の開口部を径方向内側に加締めること、つまり上記加締め部２４を形成することによって固定される。
そして、最後に、接地電極３１を屈曲させることで中心電極５の先端に設けられた貴金属チップ３２及び接地電極３１間の前記火花放電間隙３３を調整する加工が実施され、スパークプラグ１が得られる。
以上詳述したように、上記実施形態によれば、抵抗体組成物５６を構成するガラス粉末は、Ｌｉ2Ｏの含有量が５．０ｍｏｌ％以上２０．０ｍｏｌ％以下、ＢａＯ等の添加物質の総含有量が２．６ｍｏｌ％以上２５．０ｍｏｌ％以下、Ｌｉ2Ｏ及び添加物質の総含有量が１５．２ｍｏｌ％以上４５．０ｍｏｌ％以下とされるとともに、添加物質の総含有量（Ｘ）に対するＬｉ2Ｏの含有量（Ｙ）の比（Ｙ／Ｘ）が１．３以上５．０以下とされている。このようにＬｉ2ＯやＢａＯ等の添加物質の含有量などが適切に調節されることで、抵抗体７の負荷寿命性能を飛躍的に向上させることができる。
さらに、ガラス粉末中におけるＮａ2Ｏ及びＫ2Ｏの総含有量が２．０ｍｏｌ％以下とされているため、抵抗体７の抵抗値を所望の抵抗値とするために、カーボンブラック５３の含有量を増大させる必要がない。従って、製品間において抵抗体７の抵抗値にバラツキが生じてしまうことをより確実に抑制することができる。
次に、上記実施形態によって奏される作用効果を確認すべく、ＳｉＯ2、Ｂ2Ｏ3、Ｌｉ2Ｏ、及び、ＣａＯやＢａＯなどの添加物質の含有量（ｍｏｌ％）、並びに、添加物質の総含有量（Ｘ）に対するＬｉ2Ｏの含有量（Ｙ）の比（Ｙ／Ｘ）を種々変更したガラス粉末を用いることで、それぞれ異なる抵抗体を有する複数のスパークプラグのサンプルを作製し、各サンプルについて、負荷寿命性能評価試験、及び、抵抗値評価試験を行った。尚、サンプルの作製にあたっては、負荷寿命性能試験用のものと抵抗値評価試験用のものとして、同一の形成条件にて抵抗体等を形成することで複数個のサンプルを作製した。
負荷寿命性能評価試験の概要は、次の通りである。すなわち、各サンプルを自動車用トランジスタ点火装置に取り付け、３５０℃の温度条件下において、２０ｋＶの放電電圧で、毎分３６００回放電させ、常温における抵抗値が１００ｋΩ以上となった時間（寿命時間）を測定した。そして、寿命時間が１８０時間以上となったサンプルは、負荷寿命性能が優れるとして「○」の評価を下し、寿命時間が２５０時間以上となったサンプルは、負荷寿命性能が極めて優れるとして「◎」の評価を下すこととした。一方で、寿命時間が１８０時間未満となったサンプルは、負荷寿命性能が不十分であるとして「×」の評価を下すこととした。
また、抵抗体評価試験の概要は、次の通りである。すなわち、抵抗体の抵抗値について許容できる所定の幅（規格幅）を設定した上で、各サンプルにおける抵抗体の抵抗値の標準偏差の３倍（３σ）を測定し、当該規格幅についての工程能力指数（Ｃｐ）を算出した。そして、工程能力指数（Ｃｐ）が、１．６７以上の場合には、「◎」の評価を下し、工程能力指数（Ｃｐ）が１．３３以上の場合には、「○」の評価を下すこととした。一方で、工程能力指数（Ｃｐ）が、１．３３未満の場合には、「△」の評価を下すこととした。尚、「工程能力指数」とは、規格幅を標準偏差の６倍（６σ）で除算することにより得られる値である。
表１及び表２に、各サンプルにおける、ＳｉＯ2、Ｂ2Ｏ3、及び、Ｌｉ2Ｏの含有量、ＣａＯやＢａＯなどの添加物質の各含有量、添加物質の総含有量、Ｌｉ2Ｏ及び添加物質の総含有量、添加物質の総含有量（Ｘ）に対するＬｉ2Ｏの含有量（Ｙ）の比（Ｙ／Ｘ）、負荷寿命性能評価試験における寿命時間及び当該試験の評価（寿命評価）、並びに、抵抗体評価試験の評価（抵抗値評価）を示す。尚、サンプル１〜５９については、抵抗体の外径を２．９ｍｍとし、サンプル６０，６１については、抵抗体の外径を３．０ｍｍとした。
表１及び表２示すように、Ｌｉ2Ｏ及び添加物質の総含有量を１５．２ｍｏｌ％未満としたサンプル（サンプル１）、Ｌｉ2Ｏ及び添加物質の総含有量が４５．０ｍｏｌ％を超えるサンプル（サンプル３）、Ｌｉ2Ｏの含有量が２０．０ｍｏｌ％を超えるサンプル（サンプル２）、及び、添加物質の総含有量が２５．０ｍｏｌ％を超えるサンプル（サンプル３）については、負荷寿命性能が不十分となってしまうことが明らかとなった。
また、Ｌｉ2Ｏ及び添加物質の総含有量が１５．２ｍｏｌ％以上１７．２ｍｏｌ％未満であっても、添加物質の総含有量に対するＬｉ2Ｏの含有量の比（Ｙ／Ｘ）が１．３未満であったり、５．０を超えていたサンプル（サンプル３〜６）は、負荷寿命性能に劣ることが分かった。
さらに、ＳｉＯ2の含有量が３５．０ｍｏｌ％未満や６９．８ｍｏｌ％超であったり、Ｂ２Ｏ３の含有量が１５．０ｍｏｌ％未満や４９．８ｍｏｌ超であったりしたサンプル（サンプル７，８）についても負荷寿命性能が不十分となってしまうことが明らかとなった。これは、ＳｉＯ2やＢ2Ｏ3の含有量が過大又は過小となったことで、ガラスの溶け性が低下してしまったことによると考えられる。
これに対して、ＳｉＯ2の含有量を３５．０ｍｏｌ％以上６９．８ｍｏｌ％以下、Ｂ2Ｏ3の含有量を１５．０ｍｏｌ％以上４９．８ｍｏｌ％以下、ＬＩ2Ｏの含有量を５．０ｍｏｌ％以上２０．０ｍｏｌ％以下、添加物質の総含有量を２．６ｍｏｌ％以上２５．０ｍｏｌ％以下、Ｌｉ2Ｏ及び添加物質の総含有量を１５．２ｍｏｌ％以上４５．０ｍｏｌ％以下とし、さらに、Ｙ／Ｘを１．３以上５．０以下としたサンプル（サンプル９〜２４，３０〜６１）は、負荷寿命性能に優れることが分かった。また、Ｙ／Ｘが１．３未満であっても、Ｌｉ2Ｏ及び添加物質の総含有量を１７．２ｍｏｌ％以上としたサンプル（サンプル２５〜２９）については、優れた負荷寿命性能を有することが明らかとなった。
また特に、Ｌｉ2Ｏ及び添加物質の総含有量を１７．２ｍｏｌ％以上とし、かつ、Ｙ／Ｘを１．３以上５．０以下としたサンプル（サンプル３０〜６１）は、寿命時間が２５０時間以上となり、極めて優れた負荷寿命性能を実現できることが分かった。
さらに、Ｋ2ＯやＮａ2Ｏの含有量を種々変更したサンプル（サンプル５４〜５９）に着目してみると、Ｋ2ＯやＮａ2Ｏの含有量を２．０ｍｏｌ％以下としたサンプル（サンプル５４〜５７）は、抵抗体の抵抗値のバラツキが効果的に抑制されることが明らかとなった。
尚、抵抗体の外径を３．０ｍｍとしたサンプル（サンプル６０，６１）は、共通のガラス粉末を用いた上で、抵抗体の外径を２．９ｍｍとしたサンプル（サンプル１，５１）と比較して、負荷寿命性能に優れることがわかった。換言すれば、抵抗体の外径を３．０ｍｍ未満とすることで、負荷寿命性能が著しく低下してしまうおそれがあることが確認された。
以上、上記評価試験の結果を総合的に勘案して、ＳｉＯ2を３５．０ｍｏｌ％以上６９．８ｍｏｌ％以下、Ｂ2Ｏ3を１５．０ｍｏｌ％以上４９．８ｍｏｌ％以下、Ｌｉ2Ｏを５．０ｍｏｌ％以上２０．０ｍｏｌ％以下含有するとともに、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、ＺｎＯ、及び、ＺｒＯ2のうち少なくとも１種を含有し、これらの総含有量が２．６ｍｏｌ％以上２５．０ｍｏｌ％以下であり、かつ、Ｌｉ2Ｏ、及び、前記添加物質の総含有量を１５．２ｍｏｌ％以上４５．０ｍｏｌ％以下、添加物質の総含有量に対するＬｉ2Ｏの含有量の比を１．３以上５．０以下としたガラス粉末を用いて抵抗体を形成することが、優れた負荷寿命性能を実現するという観点から好ましいといえる。また、ＳｉＯ2やＢ2Ｏ3等については上述の含有範囲を維持した上で、添加物質の総含有量に対するＬｉ2Ｏの含有量の比を特に限定することなく、Ｌｉ2Ｏ及び添加物質の総含有量を１７．２ｍｏｌ％以上４５．０ｍｏｌ％以下としたガラス粉末を用いることによっても、優れた負荷寿命性能を実現することができるといえる。
さらに、負荷寿命性能の更なる向上を図るという観点からは、ＳｉＯ2やＢ2Ｏ3等については上述の含有範囲を維持した上で、添加物質の総含有量に対するＬｉ2Ｏの含有量の比を１．３以上５．０以下とするとともに、Ｌｉ2Ｏ及び添加物質の総含有量を１７．２ｍｏｌ％以上４５．０ｍｏｌ％以下としたガラス粉末を用いることが好ましいといえる。
また、上述した組成のガラス粉末を用いることで、抵抗体の外径が３．０ｍｍ未満とされ、負荷寿命性能の低下が特に懸念される場合においても、優れた負荷寿命性能を実現することができるといえる。
加えて、製品間における抵抗体の抵抗値のバラツキを抑制するという観点から、Ｎａ2Ｏ及びＫ2Ｏの含有量を２．０ｍｏｌ％以下とすることが好ましく、１．０ｍｏｌ％以下とすることがより好ましいといえる。
尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。
（ａ）上記実施形態では、中心電極５の先端部に貴金属チップ３２が設けられているが、当該貴金属チップ３２と対向するようにして、接地電極３１の先端部に貴金属チップを設けることとしてもよい。また、中心電極５側の貴金属チップ３２や接地電極３１側の貴金属チップのいずれか一方を省略する構成を採用することとしてもよいし、両貴金属チップのいずれについても省略することとしてもよい。
（ｂ）上記実施形態では、セラミックス粒子４４としてＺｒＯ2粒子やＴｉＯ2粒子を例示しているが、他のセラミックス粒子を用いることとしてもよい。例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）粒子等を用いることとしてもよい。
（ｃ）上記実施形態では、軸孔４内に配設される抵抗体７の外径は３．０ｍｍ未満とされているが、抵抗体７の外径を３．０ｍｍ以上としてもよい。
（ｄ）上記実施形態では、主体金具３の先端に、接地電極３１が接合される場合について具体化しているが、主体金具の一部（又は、主体金具に予め溶接してある先端金具の一部）を削り出すようにして接地電極を形成する場合についても適用可能である（例えば、特開２００６−２３６９０６号公報等）。
（ｅ）上記実施形態では、工具係合部２３は断面六角形状とされているが、工具係合部２５の形状に関しては、このような形状に限定されるものではない。例えば、Ｂｉ−ＨＥＸ（変形１２角）形状〔ＩＳＯ２２９７７：２００５（Ｅ）〕等とされていてもよい。
１…スパークプラグ（内燃機関用スパークプラグ）
２…絶縁碍子（絶縁体）
３…主体金具
４…軸孔
５…中心電極
６…端子電極
７…抵抗体
４１…ガラス
４３…カーボンブラック（導電性材料）
５６…抵抗体組成物
ＣＬ１…軸線
２…絶縁碍子（絶縁体）
３…主体金具
４…軸孔
５…中心電極
６…端子電極
７…抵抗体
４１…ガラス
４３…カーボンブラック（導電性材料）
５６…抵抗体組成物
ＣＬ１…軸線
Claims (5)
- 軸線方向に貫通する軸孔を有する筒状の絶縁体と、
前記軸孔の一端側に挿設された中心電極と、
前記軸孔の他端側に挿設された端子電極と、
前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
前記軸孔内において、少なくとも導電性材料及びガラスからなり、前記中心電極及び前記端子電極を電気的に接続する抵抗体とを備えた内燃機関用スパークプラグであって、
前記抵抗体は、少なくとも導電性材料及びガラス粉末を含む抵抗体組成物を加熱封着することにより形成され、
前記ガラス粉末は、二酸化珪素を３５．０ｍｏｌ％以上６９．８ｍｏｌ％以下、酸化ボロンを１５．０ｍｏｌ％以上４９．８ｍｏｌ％以下、酸化リチウムを５．０ｍｏｌ％以上２０．０ｍｏｌ％以下含有し、
添加物質として、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化ナトリウム、酸化カリウム、酸化亜鉛、及び、酸化ジルコニウムのうち少なくとも１種を含有し、これらの総含有量が２．６ｍｏｌ％以上２５．０ｍｏｌ％以下とされるとともに、
酸化リチウム、及び、前記添加物質の総含有量が１５．２ｍｏｌ％以上４５．０ｍｏｌ％以下であり、
前記添加物質の総含有量に対する酸化リチウムの含有量の比が１．３以上５．０以下であることを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。 - 軸線方向に貫通する軸孔を有する筒状の絶縁体と、
前記軸孔の一端側に挿設された中心電極と、
前記軸孔の他端側に挿設された端子電極と、
前記絶縁体の外周に設けられた筒状の主体金具と、
前記軸孔内において、少なくとも導電性材料及びガラスからなり、前記中心電極及び前記端子電極を電気的に接続する抵抗体とを備えた内燃機関用スパークプラグであって、
前記抵抗体は、少なくとも導電性材料及びガラス粉末を含む抵抗体組成物を加熱封着することにより形成され、
前記ガラス粉末は、二酸化珪素を３５．０ｍｏｌ％以上６９．８ｍｏｌ％以下、酸化ボロンを１５．０ｍｏｌ％以上４９．８ｍｏｌ％以下、酸化リチウムを５．０ｍｏｌ％以上２０．０ｍｏｌ％以下含有し、
添加物質として、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化ナトリウム、酸化カリウム、酸化亜鉛、及び、酸化ジルコニウムのうち少なくとも１種を含有し、これらの総含有量が２．６ｍｏｌ％以上２５．０ｍｏｌ％以下とされるとともに、
酸化リチウム、及び、前記添加物質の総含有量が１７．２ｍｏｌ％以上４５．０ｍｏｌ％以下とされることを特徴とする内燃機関用スパークプラグ。 - 前記ガラス粉末は、酸化リチウム、及び、前記添加物質の総含有量が１７．２ｍｏｌ％以上４５．０ｍｏｌ％以下であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用スパークプラグ。
- 前記ガラス粉末は、酸化ナトリウム及び酸化カリウムの総含有量が２．０ｍｏｌ％以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関用スパークプラグ。
- 前記抵抗体の外径が３．０ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の内燃機関用スパークプラグ。
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