JP4690230B2 - 内燃機関用スパークプラグ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
これらの相反する要求を満たすためには、絶縁体自身の耐電圧を高くすることが望まれる。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、耐電圧の高い絶縁体を有する信頼性の高い内燃機関用スパークプラグ及びその製造方法を提供することを目的とする。
絶縁体中に巨大気孔が存在するときには、プラグに放電用の高電圧を印加した場合など、この絶縁体に高電界が掛かった場合、この巨大気孔を基点として、絶縁体の貫通した絶縁破壊が生じやすくなる。
同様に上述のような凝集気孔群が絶縁体に存在する場合にも、この絶縁体に高電界が掛かった場合、この凝集気孔群を基点として、絶縁体の絶縁破壊が生じやすくなることが判ってきた。凝集気孔群全体で、あたかもこの気孔群と同程度の大きさの巨大な気孔と同様の効果をもたらすためであると推測される。
しかるに、このプラグでは、前述のように判定領域内に含まれる1または複数の気孔の占める面積が、判定領域の40%を超えるような巨大気孔や凝集気孔群が存在していないため、薄肉化されていながらも、絶縁体の耐電圧が高く、信頼性の高いプラグとなる。
さらにこのプラグでは、主体金具と中心電極との間に、火花放電を起こさせない状態で、最大値36kVの火花放電波形電圧を印加した場合にも、絶縁体は、貫通破壊をすることなく絶縁を維持する特性を備えたものとすることができる。
一方、アルミナ粉末の平均粒径を1.0μm以下にすると、スラリーとした場合に、スラリーの粘度が高くなり、気泡がスラリー内に取り込まれたままとなりやすい。従って、平均粒径が1.0μm以下のアルミナ粉末を用いる場合に、特に脱泡工程を用いた脱泡が有効であり、これにより、プレス成形体を焼成した絶縁体内に、凝集気孔群が残留することが適切に防止される。
図1及び図2は、本発明にかかる実施形態のスパークプラグ1にかかり、図1はプラグ全体の縦断面図、図2はその前方部分を拡大して部分拡大断面図である。本明細書における実施形態等においては、軸線Zに沿う方向(以下、軸線方向という。図1,図2中、上下方向)のうち、スパークプラグ1のうち、内燃機関(図示しない)内に挿入される側(図1,図2中、下方)を前方、これとは反対の内燃機関外に位置する側(図1,図2中、上方)を後方として説明する。
主体金具10のうち前方部12より後方(図中上方)には、この前方部12より径大で、径方向外側に突出する径大部16、これより径小の中間部17、及び工具係合部18を備える。この工具係合部18は、スパークプラグ1を取り付ける際に、スパナやレンチ等の工具を係合させる部位であり、六角柱状の外周形状を有している。
前方部12のうち、後方に位置し、径大部16に繋がる中筒部15と、先端面10Sを含む前筒部13との間には、径方向内側に突出する係合凸部14が形成されている。
また、中心電極30は、外部に突出する先端部31及びこの後方に位置する本体部32を有する。この本体部32は、放熱促進のためにCuあるいはCu合金等で構成された芯材33と、これを包囲する筒状の包囲部34とからなる。先端部31及び包囲部34は耐熱性を有するNi合金等で構成されている。
また、絶縁体20のうち、フランジ部23の後方は、筒状の本体部24とされている。この本体部24のうち、後方の外周面には、コルゲーション24Cが形成されている。
この絶縁体20は、本体部24の前方部分、フランジ部23、中胴部22、及び脚長部21のうち前端部分を除く部位が、主体金具10に包囲された被包囲部25となっている。
さらに、主体金具10のうち工具係合部18の内側部分と、絶縁体20の本体部24の外周面との隙間には、フランジ部23の後方側面と係合するリング状の線パッキン92が配置され、さらにその後方側にはタルク等の充填層94を介してリング状の線パッキン93が配置されている。そして、絶縁体20を主体金具10内において前方(図中下方)に押し込み、その状態で主体金具10の後方開口縁をパッキン93に向けて内側に加締めることにより加締め部19が形成されて、絶縁体20が主体金具10に固定されている。
なお、本実施形態のプラグ1においては、絶縁体20の脚長部21の形態を、前述したように、円筒部21Cとテーパ部21Tとからなる形態とし、係合凸部14の内周面14Nに対向する対向部21Nは、円筒部21Cに含まれるため、対向部21Nにおける肉厚NTは、円筒部21Cの肉厚に等しい。しかしながら、円筒部21Cの軸線方向の寸法を小さくし、あるいは、この脚長部21全体を、外径が前方に進むほど径小となる円錐台形状とする(つまり、脚長部21全体をテーパ部21Tとする)こともできる。この場合には、内周面14Nに対向する対向部21Nの肉厚NTが軸線方向で変化することとなる。この場合には、対向部のうち肉厚が最小となる位置での値で代表させるものとする。
なお、直径10μm程度の小さな単独気孔Pは、実施形態及び比較形態1,2のいずれにも共通して多数観察されることから、プラグの耐電圧への影響は小さいと考えられる。また、全体気孔率の大きさは、三者ともほぼ同じ大きさであるため、この全体気孔率の値は、少なくとも三者の特性との関係を検討する指標とはなり得ない。全体気孔率の値は同じであるのに、三者の耐電圧に差異が生じているからである。
即ち、相対的に耐電圧の高い実施形態にかかる絶縁体20で観察される組織(図4,図5参照)には、比較形態1のような凝集気孔群SP(図7,図8参照)は観察されない。また、通常観察される直径10μm程度の単独気孔Pの他に、これよりも最大径が50μmに達する大きな偏平気孔HPが発見される場合があるが、その形状は偏平である。このため、この偏平気孔HPでは、最大径(長径)の値が大きい割には、その断面積は比較形態2で観察される大きな巨大気孔GP(図10,図11参照)に比して小さい。
即ち、セラミック部分と気孔(空気)の部分とでは誘電率が異なるので、気孔部分には電界が集中する。特に、断面積の大きな巨大気孔GPでは、この電界集中の度合いも大きくなりがちであり、巨大気孔GP内での気中放電が起こりやすく、貫通破壊の起点となりやすいと考えられる。
また、凝集気孔群SPが存在する場合には以下のように考えられる。凝集気孔群SPに含まれる気孔同士の間に存在するセラミック部分は、その厚みが薄い。このため、凝集気孔群SPに含まれるある気孔において気中放電が生じると、隣在する気孔との間の薄いセラミック部分が破壊し、次々と気孔が繋がる。かくして、巨大気孔が存在する場合と同様に、貫通破壊の起点となりやすいと考えられる。
まず、比較形態1の絶縁体(図7,図8参照)で観察される凝集気孔群SPについて検討する。この凝集気孔群SPは、これに含まれる個々の気孔に、比較形態2で観察される巨大気孔GPのように断面積の大きなものは見られない。しかし、多数の気孔が集まって一つの塊をなしているように見える。気孔同士が連結しているように見える部分もある。従って、各気孔の直径(長径)の大きさは、このような凝集気孔群SPを、この変形形態1の絶縁体で多数観察される直径10μm程度の単独気孔Pとを区別する指標としては、適切でないことがわかる。各気孔の長径の大きさだけでは、凝集気孔群SPに属する気孔と、これに属しない単独気孔Pとを区別できないからである。
具体的には、仮想円HC内にできるだけ多く気孔部分が含まれるように、この仮想円HCを位置決めし、その部分での最大気孔面積率を算出した。
なお、最大気孔面積率をこのように定義すると、図8に示すように、観察視野内に単独気孔Pのほかに凝集気孔群SPを含む場合には、仮想円HC内に必ず凝集気孔群SPを含むことになる。表1では、視野内に凝集気孔群SPが観察される観察視野(SEM写真)についてそれぞれ最大気孔面積率を求め、10視野分を総合して最大のものを示した。
なお、最大気孔面積率を前述のように定義したので、図5に示すように、観察視野内に単独気孔Pのほかに偏平気孔HPを含む場合には、仮想円HC内に必ず偏平気孔HPを含むことになる。表1では、視野内に偏平気孔HPが観察される観察視野(SEM写真)についてそれぞれ最大気孔面積率を求め、10視野分を総合して最大のものを示した。
なお、最大気孔面積率を前述のように定義したので、図11に示すように、観察視野内に単独気孔Pのほかに巨大気孔GPを含む場合には、仮想円HC内に必ず巨大気孔GPを含むことになる。表1では、視野内に巨大気孔GPが観察される観察視野(SEM写真)についてそれぞれ最大気孔面積率を求め、10視野分を総合して最大のものを示した。
かくして、絶縁体の観察面内の気孔を観察したとき、最大気孔面積率が40%以下となっている場合、つまり、観察面内のいずれの位置においても、仮想円HC内に含まれる気孔の占める面積が、仮想円HCの面積の判定領域の40%以下となる組織となっている場合には、比較形態1,2の場合に比して、耐電圧の高いプラグ(絶縁体)となし得ることが判る。
本実施形態では、まず表1に示すように、平均粒径が1.0μm未満(具体的には、0.5μm)の、比較形態2に比して粒径の小さなアルミナ(Al2O3)粉末を用いる。このアルミナ粉末を、調製される原料粉末を100質量%とした場合に、90〜99.8質量%の範囲内となるように秤量し、さらに焼結助剤として機能する添加元素系粉末を配合して原料粉末を調製する(ステップS11)。
なお、比較形態1でも、同じアルミナ粉末及び添加元素系粉末を用いて同様に原料粉末を調整する。一方、比較形態2については、表1に示すように、平均粒径1.5μmの比較的大きな粒径のアルミナ粉末を使用して、同様に原料粉末を調整した。
さらに詳細には、各添加元素系粉末として、例えばSi成分はSiO2粉末、Ca成分はCaCO3粉末、Mg成分はMgO粉末、Ba成分はBaCO3粉末、B成分がH3BO3粉末(或いは水溶液でもよい)の形で配合することができる。このように、添加元素系粉末におけるSi、Ca、Mg及びBaの各成分については、酸化物の他、水酸化物、炭酸塩、塩化物、硫酸塩、硝酸塩及びリン酸塩等の各種無機原料粉末を使用することもできる。 但し、これら無機系原料粉末は、いずれも焼成により酸化物に転化できるものである必要がある。
比較形態1のスラリーについても同様である。従って、ここまでは、実施形態と比較形態1とは、同じである。
一方、比較形態2では、アルミナ粉末の違いなどを考慮し、実施形態及び比較形態1において用いた有機結合剤とは異なる有機結合剤を用いる。また、比較形態2では、アルミナ粉末と溶媒(水)とが良くなじむように、湿式混合したスラリーに対して、界面活性効果によりスラリー中の気泡を抜けやすくする効果を有する分散剤を添加した。
このため、本実施形態及び比較形態1にかかるスラリーでは、比較的粒径の小さなアルミナ粉末を用いていることとも相俟って、比較形態2にかかるスラリーに比して、スラリーの粘度が高くなり、気泡を内包しやすく、アルミナ粉末同士が凝集して内部に空間を形成する傾向にあるため、気泡がスラリー内に取り込まれたままとなりやすい。また混練の際に生じた気泡も抜けにくい傾向にある。このため、このままでは、後述するスプレ粒子内に気泡が内在する傾向がある。
一方、比較形態1にかかるスラリーは、脱泡を行わなかった。
なお、比較形態2にかかるスラリーには、前述したように分散剤が含まれているので、混練の際に気泡が抜けやすい。このため、この比較形態2でも脱泡工程は行わない。
なお、脱泡を行わなかった比較形態1のスラリーを用いてスプレー粒子を形成すると、スプレー粒子の一部には、スラリー中に含まれていた気泡が原因と思われる比較的大きな不定形で三次元網目構造状の空隙を含むスプレー粒子が含まれることがあった。これに対し、脱泡したスラリーを用いた本実施形態では、内部にこのような大きな空隙を含むスプレー粒子は見られなかった。
なお、比較形態2のスラリーからも、スプレードライヤを用いて、スプレー粒子を造粒する。この比較形態2にかかるスプレー粒子でも、内部に大きな空隙を含むスプレー粒子は見つからなかった。分散剤によりスラリー内の気泡が抜けやすいためと考えられる。
これ以降は、比較形態1,2も同様である。
なお、本実施形態においては、ラバープレス成形にてスプレー粒子をプレス成形し、未焼成絶縁体を成形した例を示したが、その他の成形方法(例えば、押出し成形)によってプレス成形することもできる。
これを、ステップS18において絶縁体20中に組み付ける。具体的には、中心電極30、抵抗体50、及び、端子金具40の軸部41を絶縁体20の軸孔20H内に配置し、導電性シールガラス60,70を加熱溶融させて、これらを互いに固着させると共に、軸孔20Hの気密性を確保する。
この主体金具10に、中心電極30等が組み付けられた絶縁体20を、絶縁体保持孔10H内に配置し、板パッキン91を介して、係合凸部14の後方係合面14Bと、中胴22の係合段面22Fとを係合させ、線パッキン92,93及び充填層94を絶縁体20と主体金具10との間に配置し、加締め部19を形成して、絶縁体20を主体金具10内に固定する(ステップS19)。
さらに、主体金具10の前端面10Sに外側電極80の一端を溶接し、さらに、その一方側面が中心電極30の前端部31に対向するように屈曲させて、本実施形態のプラグ1及び比較形態1,2のプラグが完成する(ステップS20)。
このようなスプレー粒子を用いたことが、図7に示すような凝集気孔群SPを含む組織を有する絶縁体となった原因であると考えられる。即ち、スプレー粒子に含まれていた比較的大きな、不定形で三次元網目構造状の空隙が、未焼成絶縁体をプレス成形した後、及び絶縁体の焼成後にも残って凝集気孔群SPとなったと考えられる。
なお、本実施形態の絶縁体20で観察された偏平気孔HPは、その形態から、凝集気孔群SPとは成り立ちが異なると考えられる。即ち、ラバープレス成形を行うと、スプレー粒子が圧潰し、スプレー粒子内のセラミック粒子(アルミナ粒子や添加元素系粉末)が有機結合剤を介して互いに結合するのであるが、プレス成形の際、スプレー粒子の外周面部分が十分に圧潰せず、殻状に残ることで、偏平気孔HPが絶縁体20内に残留したものと考えられる。
上述の実施形態に係るスパークプラグ1では、主体金具10に形成する取付ネジ11の呼びをM12としたものを例示した。しかし、これにみならず、本件発明にかかるスパークプラグは、取付ネジの呼びが、M12及びこれより小さな(例えばM10)比較的小径のスパークプラグに適用した場合に、特に有効である。例えば、取付ネジの呼びをM10とした場合、主体金具に、その各部に必要なの強度を保つだけの肉厚を確保する必要がある。一方、熱引きの観点から中心電極の径は1.7mm以上が必要である。これらを考慮すると、絶縁体の脚長部のうち、主体金具の係合凸部に対向する部分における、軸線に直交する径方向の肉厚は、1.6mm以下にせざるを得ない。このような薄い肉厚の絶縁体を用いるスパークプラグにおいて、本発明を適用することは、特に有効である。
10 主体金具
10H 絶縁体保持孔
13 前筒部
14 係合凸部
14B (係合凸部の)後方係合面
14N (係合凸部の)内周面
20 絶縁体
20H 軸孔
21 脚長部
21C 円筒部
21N 対向部(係合凸部に対向する部分)
NT (対向部の)肉厚
22 中胴部
22F 係合段面
25 被包囲部
30 中心電極
31 前端部
40 端子金具
80 外側電極
91 板パッキン
Z 軸線
G 火花放電ギャップ
P 単独気孔
HP 偏平気孔
GP 巨大気孔
SP 凝集気孔群
HC 仮想円(判定領域)
Claims (5)
- 絶縁体保持孔をなす筒状の主体金具と、
軸線方向に延びる軸孔をなす筒状で、上記主体金具の上記絶縁体保持孔内に係止された絶縁体と、
上記絶縁体の上記軸孔内に保持された中心電極と、を備える
内燃機関用スパークプラグであって、
上記絶縁体は、
このうち少なくとも上記主体金具に包囲された被包囲部における任意の断面を鏡面研磨して観察面とし、この観察面内の気孔を観察したとき、直径50μmの判定領域内に含まれる1または複数の気孔の占める面積が、上記観察面内のいずれの位置においても上記判定領域の40%以下となる組織を有する
内燃機関用スパークプラグ。 - 請求項1に記載の内燃機関用スパークプラグであって、
前記軸線に沿う方向のうち、内燃機関内に挿入される側を前方、これと反対の上記内燃機関外に位置する側を後方としたとき、
前記主体金具は、
径方向内側に突出する係合凸部であって、この係合凸部のうち後方に位置する後方係合面を含む係合凸部と、
この係合凸部の前方に位置し、上記係合凸部よりも内径が径大の筒状の前筒部と、を有し、
前記絶縁体は、
中胴部であって、この中胴部のうち前方に位置し、上記主体金具の上記後方係合面に後方から係合する係合段面を含む中胴部と、
この中胴部の前方に位置し、この中胴部より径小で、上記前筒部との間に空間を形成する脚長部とを有し、
上記絶縁体は、
上記脚長部のうち、上記係合凸部に対向する部分における上記軸線に直交する径方向の肉厚が、1.80mm以下とされてなる
内燃機関用スパークプラグ。 - 絶縁体保持孔をなす筒状の主体金具と、軸線方向に延びる軸孔をなし、上記主体金具の上記絶縁体保持孔内に係止された絶縁体と、上記絶縁体の上記軸孔内に保持された中心電極と、を備える内燃機関用スパークプラグの製造方法であって、
アルミナ粉末を主成分とする原料粉末及び有機結合剤を溶媒に混練してスラリーとするスラリー製造工程と、
上記スラリーを低気圧環境下に置いて脱泡する脱泡工程と、
上記脱泡されたスラリーから粒状体を形成する造粒工程と、
上記造粒体を型に充填圧縮して、プレス成形体を形成するプレス工程と、を備える
内燃機関用スパークプラグの製造方法。 - 請求項3に記載の内燃機関用スパークプラグの製造方法であって、
前記アルミナ粉末は、平均粒径が1.0μm以下である
内燃機関用スパークプラグの製造方法。 - 請求項3または請求項4に記載の内燃機関用スパークプラグの製造方法であって、
前記スラリーは、気泡を抜けやすくする薬剤を含まない
内燃機関用スパークプラグの製造方法。
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