JP5087136B2 - スパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は、抵抗体入りスパークプラグに関する。

従来、スパークプラグの火花放電に起因する電波ノイズの発生を抑制するため、中心電極と端子金具との間に抵抗体が配置された抵抗体入りスパークプラグが広く用いられている。このような抵抗体入りスパークプラグは、その使用条件によっては、抵抗体を流れる電気エネルギにより抵抗体成分中のカーボンが酸化し、抵抗値が増加する現象が生じる場合があった。そこで、例えば、下記特許文献１や特許文献２では、抵抗体中に、還元作用を有する金属粉末を添加することで、カーボンの酸化を抑制し、負荷寿命性能の向上を図っている。

特開昭６０−１５０６０１号公報 特開昭６０−１５０６０２号公報

しかし、特許文献１や特許文献２に記載された配合で金属粉末を添加させた場合であっても、スパークプラグの形状によっては、十分に負荷寿命性能が向上しない場合があった。

このような問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、金属粉末を添加した抵抗体入りのスパークプラグにおいて、その負荷寿命性能を向上させることにある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］中心電極と端子金具との間に抵抗体を有するスパークプラグであって、前記抵抗体は、ガラスとセラミック粉末と導電材と金属とを含み、前記金属が、前記抵抗体の任意の断面における任意の３００（μｍ）×３００（μｍ）の領域に平均２個以上存在し、かつ、前記領域内における前記金属の総断面積の占める割合が１．６％未満であるスパークプラグ。

上記態様のスパークプラグによれば、金属粉末が抵抗体中に程良く分散されるので、金属粉末が酸化した場合であっても電流の流れが大きく遮られてしまうことが抑制される。この結果、スパークプラグの負荷寿命性能を向上させることができる。

［適用例２］適用例１に記載のスパークプラグであって、前記領域内における前記金属の総断面積の占める割合が０．０１以上１．３％以下であるスパークプラグ。

［適用例３］適用例１に記載のスパークプラグであって、前記領域内における前記金属の総断面積の占める割合が０．０２以上１．０％以下であるスパークプラグ。

［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれかに記載のスパークプラグであって、前記金属として、Ａｌ（アルミニウム），Ｚｎ（亜鉛），Ｆｅ（鉄），Ｃｕ（銅），Ｍｇ（マグネシウム），Ｓｎ（スズ），Ｔｉ(チタン)，Ｚｒ（ジルコニウム），Ａｇ（銀），Ｇａ（ガリウム）のうち、少なくとも１種類以上の金属を含むスパークプラグ。

［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれかに記載のスパークプラグであって、前記セラミック粉末が、Ｚｒ０₂（ジルコニア）を含むスパークプラグ。

［適用例６］適用例１ないし適用例５のいずれかに記載のスパークプラグであって、前記導電材がカーボンブラックであるスパークプラグ。

［適用例７］適用例１ないし適用例６のいずれかに記載のスパークプラグであって、前記ガラスの組成に、Ｂ（ホウ素），Ｓｉ（ケイ素），Ｂａ（バリウム），Ｃａ（カルシウム），Ｓｎ（スズ），Ｔｉ（チタン）のうち、少なくとも１種類以上を含み、前記ガラスの屈服点が３００℃以上７００℃未満であるスパークプラグ。

なお、本発明は、上述したスパークプラグとしての態様のほか、スパークプラグの製造方法や、スパークプラグに用いられる抵抗体としても捉えることが可能である。

本発明の一実施形態としてのスパークプラグ１００の断面図である。

図１は、本発明の一実施形態としてのスパークプラグ１００の断面図である。スパークプラグ１００は、筒状の主体金具１と、先端部２１が主体金具１の端部から突出するように主体金具１内に嵌め込まれた絶縁体２と、先端に形成された発火部３１が突出された状態で絶縁体２の内側に設けられた中心電極３と、主体金具１に一端が溶接等により結合されるとともに他端側が側方に曲げ返されて、その側面が中心電極３の発火部３１に対向するように配置された接地電極４とを備えている。接地電極４には発火部３１に対向する位置に発火部３２が形成されており、発火部３１と発火部３２との間の隙間が火花放電ギャップとなる。

絶縁体２には、軸線Ｏに沿って貫通孔６が形成されており、その一方の端部に端子金具１３が固定され、他方の端部に中心電極３が固定されている。また、貫通孔６内において端子金具１３と中心電極３との間には、抵抗体１５が配置されている。この抵抗体１５の両端部は、導電性ガラスシール層１６，１７を介して中心電極３と端子金具１３とにそれぞれ電気的に接続されている。

本実施形態における抵抗体１５は、ガラスとセラミック粉末と導電材と金属粉末とバインダ（接着剤）とから生成されている。金属粉末は、抵抗体１５の任意の断面における任意の３００（μｍ）×３００（μｍ）の領域（以下、この領域を「分析領域」という）に平均２個以上存在している。また、この分析領域内における金属粉末の総断面積の占める割合は、１．６％未満である。金属粉末としては、例えば、Ａｌ，Ｚｎ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｓｎ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｇ，Ｇａのうち、いずれか１種類以上の金属を含む金属粉末を用いることができる。好ましくはＡｌ，Ｚｎ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｍｇのうち、いずれか１種類以上の金属を含む金属粉末を用いることが良く、より好ましくはＡｌ，Ｆｅ，Ｍｇのうち、いずれか１種類以上の金属を含む金属粉末を用いることが良い。さらに好ましくはＡｌを含む金属粉末を用いることが良い。また、セラミック粉末としては、ＺｒＯ₂を含むセラミック粉末を採用することができる。また、ガラスの組成には、Ｂ，Ｓｉ，Ｂａ，Ｃａ，Ｓｎ，Ｔｉのうち、少なくとも１種類以上が含まれるものを採用することができる。更に、導電材として、カーボンブラックを用いることができる。

上記のようなスパークプラグ１００において、絶縁体２に対する中心電極３と端子金具１３との組付け、及び抵抗体１５と導電性ガラスシール層１６，１７との形成は以下のようにして行うことができる。まず、絶縁体２の貫通孔６に対し、中心電極３を挿入し、その後、導電性ガラスシール層１６の原料である導電性ガラス粉末と、上述した抵抗体１５の原料と、導電性ガラスシール層１７の原料である導電性ガラス粉末と順次充填する。次いで、端子金具１３を貫通孔６に挿入する。そして、絶縁体２全体を９００〜１０００℃に加熱し、端子金具１３側より、所定の圧力を加える。こうすることで、各原料が圧縮・焼結されて、貫通孔６内に導電性ガラスシール層１６，１７と抵抗体１５とが形成されることになる。

上述した実施形態に基づき、貫通孔６の内径（以下、「シール径」という）が２．５ｍｍないし２．９ｍｍという比較的小径な１５種類のスパークプラグ１００について、抵抗体１５に対する金属粉末の添加量を種々調整し、その負荷寿命性能の良否を判定する実験を行った。この実験結果を表１に示す。

この実験では、抵抗体１５に添加する金属粉末としてＡｌ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎの粉末を採用し、他の材料を以下の配合とした。金属粉末の配合量は、セラミック粉末の一部を金属粉末に置き換えることで調整した。なお、以下の説明において、「非ガラス材」とは、上述した抵抗体１５の材料からガラスを除いた材料、すなわち、セラミック粉末，導電材，金属およびバインダのことをいう。

・ガラス（Ｂ₂Ｏ₃：２９％ ＳｉＯ₂：５０％ ＢａＯ：１７％ Ｌｉ₂Ｏ₃：４％）：非ガラス材１００重量％に対して６００重量％
・セラミックス粉末（ＺｒＯ₂）：非ガラス材中の７２．２〜８７．１重量％（金属粉末と置き換えるために値が変化する）
・導電材（カーボンブラック）：非ガラス材中の１０重量％
・バインダ（デキストリン）：非ガラス材中の２．８重量％

この実験では、３５０℃の温度環境下で、スパークプラグ１００に２０ｋＶの放電電圧をかけ、１分当たり３６００回、計２５０時間放電させた。そして、実験後のスパークプラグ１００の抵抗値Ｒを測定し、この抵抗値Ｒが、放電前の初期抵抗値に対してどの程度変化するかを１０回の実験の平均から求めた。表１には、この変化の度合いを、「変化率」として示しており、変化率が＋１００％以上のものの判定結果を「×」とし、＋１００％未満のものの判定結果を「○」とした。つまり、判定結果として「○」と示したスパークプラグ１００が、抵抗値の変化率が少なく、十分な負荷寿命性能を有することになる。

なお、表１の「金属個数」とは、抵抗体１５の上述した分析領域に含まれる金属粒子の個数を示している。また、表１の「金属割合」とは、この分析領域中、金属粉末の個々の断面積の総計（総断面積）が占める割合のことをいう。金属個数および金属割合は、ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer：電子線マイクロアナライザ）を用いて求めることができる。具体的には、本実験では、ＥＰＭＡとして、日本電子データム社製のＪＸＡ−８５００Ｆという装置を採用し、この装置に対して、加速電圧２０ｋＶ、照射電流（５±０．５）×１０^-8Ａ、有効時間１０ｍｓｅｃ、測定間隔１μｍ、視野３００μｍ×３００μｍ、という設定を行った。そして、この設定によって測定されたカウント数が１００以上か１００未満かで視野内を２値化した画像を生成し、この画像をコンピュータで解析することで金属個数と金属割合とを求めた。表１に示した金属個数および金属割合は、このような解析を任意の視野について５回行った平均値である。金属粒子の個数および面積の測定には、Soft Imaging System GmbH社製のanalySIS Five（商標）という画像解析ソフトウェアを用いた。測定画面上、明らかに、２つの粒子が接触することにより個数が１つと数えられていると目視できたものについては、２つの粒子の界面部を画像処理によって２つに分離して個別に個数を数えた。

表１に示した実験結果を参照すると、例えば、比較例１，２では、シール径をそれぞれ、２．５ｍｍ、２．９ｍｍとしたスパークプラグについて、金属粉末として平均粒度が３２μｍのＡｌ粉末を０．６重量％添加している。この結果、抵抗体１５の分析領域に含まれるＡｌ個数が、０．２個と少ない個数となった。結果として、これらの比較例では、抵抗値Ｒの変化率が＋１００％を超えてしまい、負荷寿命性能の向上は見られなかった。

添加するＡｌ粉末の平均粒度を３２μｍから６μｍと低くし、他の条件を比較例１，２と同一にして実験を行ったものが実施例３，４である。実施例３，４では、Ａｌ粒子の添加量（重量％）は比較例１，２と同じであるが、Ａｌ粒子の平均粒度を低くしたことで、Ａｌ個数が、０．２個から５個に増大している。つまり、比較例１，２と比べて、実施例３，４では、細かなＡｌ粉末が抵抗体１５内に分散されて存在しているといえる。このように、Ａｌ粉末の粒子を細かくし、単位面積当たりに存在するＡｌの粒子の数を多くしたところ、表１に示すように、実施例３，４では、それぞれ抵抗値Ｒの変化率が、−６％、−１３％と低くなり、負荷寿命性能が向上することになった。

実施例１では、より細かいＡｌ粉末（平均粒度＝４μｍ）を採用して、その添加量を０．１重量％とすることで、分析領域にＡｌ粒子が２個存在し、Ａｌ割合が０．０２％となる抵抗体１５を生成した。この実施例１においても、抵抗値Ｒの変化率は、−８と小さくなり、負荷寿命性能の向上が見られることになった。つまり、Ａｌ粉末の粒子を細かくするほど、負荷寿命性能では有利となることがわかる。Ａｌ粉末の粒子が大きい場合や添加量が多すぎる場合には、酸化された金属粉が絶縁体として働き、抵抗体内の導電経路を大きく遮ってしまうと考えられるからである。なお、Ａｌ粉末の添加量に着目すると、本願出願人の経験上、添加量は０．０１重量％程度あれば、負荷寿命性能に有利に働くことがわかっている（特開昭６０−１５０６０１号公報、特開昭６０−１５０６０２号公報参照）。

比較例３では、Ａｌ個数は５個であり、他の実施例との相違はそれほどないが、Ａｌ割合が４．５０％と突出している。これは、Ａｌ粉末の添加量が他の例に比べて、１５重量％と突出しており、また、比較例３では、Ａｌ粉末として、平均粒度が３２μｍという比較的粒子の粗いＡｌ粉末を採用したためである。この結果、比較例３では、抵抗値Ｒの変化率が、＋５００％という非常に高い値を示すことになった。

実施例２，５，６，７では、シール径およびＡｌ粉末の平均粒度を同一条件としながら、Ａｌ粉末の添加量を、０．４重量％、１．２重量％、１．８重量％、３．６重量％と少しずつ変化させている。この結果、Ａｌ個数は、３．３個、１０個、１５個、３０個と、徐々に増加し、Ａｌ割合は、０．１％，０．３％，０．５％，１．０％、と徐々に増加している。これらのようなＡｌ個数およびＡｌ割合であれば、抵抗値Ｒの変化率は、すべて＋１００％未満に収まっており、十分な負荷寿命性能が見られた。

比較例４では、他の実施例と同様に、平均粒度が６μｍのＡｌ粉末を採用している。しかし、添加量を、他の実施例よりもやや多い重量比（６．０重量％）とすることで、Ａｌ個数（５０個）およびＡｌ割合（１．６％）を増加させた結果、抵抗値Ｒの変化率が、許容範囲を若干超える＋１０６％となった。つまり、Ａｌ割合に着目すれば、１．６％程度の値が、負荷寿命性能を確保する上での上限であると考えられる。ただし、判定結果が「○」の実施例のうち、抵抗値Ｒの変化率が最も大きい実施例７のＡｌ割合が１．０％で、この比較例４のＡｌ割合が１．６０％であること、また、実施例７の抵抗値Ｒの変化率が＋５８％で、この比較例４の変化率が＋１０６％であることを考慮すると、Ａｌ割合のより好ましい上限値は、実施例７と比較例４のＡｌ割合の中間値である１．３０程度であると考えることができる。また、上述した各実施例のうち、Ａｌ割合の下限値は、実施例１の０．０２％であるが、Ａｌ個数が２個以上存在していれば、Ａｌ割合が０．０１％程度であっても負荷寿命性能の向上が期待できる。

上述した比較例１〜４および実施例１〜７では、抵抗体１５の材料となる金属粉末としてＡｌ粉末を用いた。これに対して、実施例８ではＭｇ、実施例９ではＦｅ、実施例１０ではＣｕ、実施例１１ではＺｎを金属粉末としてそれぞれ用いた。これらの実施例８〜１１では、実施例３と同様に、いずれもシール径を２．５ｍｍとし、金属粉末として平均粒度が６μｍのものを採用し、その添加量を０．６％とした。そうすると、これらの実施例８〜１１では、実施例３と同様に、金属個数は、いずれも５個となり、金属割合は、０．２％となった。そして、実施例８では、抵抗値Ｒの変化率が＋１０％、実施例９では、＋１５％、実施例１０では＋３０％、実施例１１では＋２７％となり、いずれも、＋１００％を下回り、十分な負荷寿命性能が見られた。つまり、Ａｌに替えて、ＭｇやＦｅ、Ｃｕ、Ｚｎ等を用いても、負荷寿命性能を向上させることが可能である。なお、金属粉末としては、これらの金属以外にも、還元作用を有する他の金属、例えば、Ｓｎ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｇ，Ｇａを採用することとしてもよい。また、還元作用を有する金属を２種類以上含むこととしてもよい。

以上で説明したように、表１に示した実験結果を考慮すれば、金属粒子が、抵抗体１５の任意の断面における任意の３００μｍ×３００μｍの分析領域に、平均２個以上存在し、かつ、この分析領域内における金属の総断面積の占める割合が１．６％未満、好ましくは、０．０１％以上１．３％未満、更に好ましくは０．０２％以上１．０％以下という条件を満たせば、シール径が２．５ｍｍや２．９ｍｍといった比較的小径なスパークプラグであっても、実施例１ないし７の如く、負荷寿命性能を向上させることが可能になる。

抵抗体１５の材料となるセラミック粉末としては、電気的特性の観点から、ＺｒＯ₂を含むセラミック粉末を含むことが好ましく、また、ＴｉＯ₂（酸化チタン）が添加されていても良い。セラミック粉末の平均粒径は、３００μｍ以下が好ましく、２００μｍ以下がより好ましい。

抵抗体１５の材料となるガラスとしては、ＢａＯ−Ｂ₂Ｏ₃系、ＢａＯ−Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系、ＢａＯ−Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ｒ₂Ｏ（ＲＯ）系、Ｐｂ−ＳｉＯ₂系、Ｐｂ−Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃系、Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系、Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃系、Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ｒ₂Ｏ（ＲＯ）系、Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｒ₂Ｏ（ＲＯ）系などの屈服点が３００〜７００℃で、好ましくは粒径１５０μｍ程度のものが使用できる。一般に、ガラス材料の膨張の度合いは、ガラス材料が一軸方向に膨張し、測定装置の検出部を押すことによって検出部が移動した距離で評価される。前述の屈服点とは、ガラス材料が軟化してしまい、前記検出部を押すことができなくなる温度のことをいう。

抵抗体１５の材料となる導電材としては、加熱封着温度条件において酸化される物質を用いることができる。具体的には、電気的特性の観点から、上述した各実施例のようにカーボンブラックを採用することが好ましい。

抵抗体１５の材料となるバインダとしては、ショ糖、乳糖、マルトース、ラフィノース、グリコース、キシロール、デキストリン、メチルセルロースなどの糖類や、エチレングリコール、グリセリン、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコールなどの脂肪族炭化水素よりなる有機炭質などの水溶性炭化物質を使用することが可能である。

ところで、スパークプラグの種類によっては、抵抗体１５中に、骨材としてアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）が用いられる場合がある。そのため、上記実験において、金属粉末としてＡｌが用いられていることは、次のような方法により正確に特定することが可能である。すなわち、まず、ＥＰＭＡ（ＪＸＡ−８５００Ｆ）によって、上記方法によって観察された金属粒子中に含まれるＯの割合（ｍｏｌ％）と、Ａｌの割合（ｍｏｌ％）とを測定する。そして、Ｏに対してＡｌが含まれる割合（＝Ａｌ／Ｏ）を計算する。表２には、抵抗体１５にＡｌが含まれる場合と、アルミナが含まれる場合の複数の場合について、この計算結果を示した。この表２を参照すると、金属粒子がＡｌの場合には、Ａｌ／Ｏの値が２以上となり、アルミナの場合には、２未満となることがわかる。つまり、抵抗体１５中にアルミナではなくＡｌが含まれることは、金属粒子中にＡｌおよびＯが含まれる割合（ｍｏｌ％）をそれぞれ測定し、Ｏに対してＡｌが２倍以上存在すれば、その金属粒子は、Ａｌ粒子であると特定することができる。これは、金属粉末としてＡｌを用いた場合には、スパークプラグ１００の製造過程における加熱・加圧処理（ガラスシール工程）によって、抵抗体１５中のＡｌ粒子の表面に酸化被膜が形成される結果、内部まで酸化が進行せず、Ａｌが含まれる割合が高くなるからである。なお、金属粉末としてＭｇやＦｅ、Ｃｕ、Ｚｎなど、Ａｌ以外の金属粉末が用いられている場合にも、金属粒子中にこれらの金属が含まれる割合は、Ａｌの場合と同様に、Ｏに対して２倍以上となる。そのため、金属粉末として、ＭｇやＦｅ、Ｃｕ、Ｚｎ等が用いられていることも、上記と同様の手法により特定することが可能である。

１…主体金具
２…絶縁体
３…中心電極
４…接地電極
６…貫通孔
１３…端子金具
１５…抵抗体
１６…導電性ガラスシール層
１７…導電性ガラスシール層
２１…先端部
３１…発火部
３２…発火部
１００…スパークプラグ

Claims (7)

1. 中心電極と端子金具との間に抵抗体を有するスパークプラグであって、
   前記抵抗体は、ガラスとセラミック粉末と導電材と金属とを含み、
   前記金属が、前記抵抗体の任意の断面における任意の３００（μｍ）×３００（μｍ）の領域に平均２個以上存在し、かつ、前記領域内における前記金属の総断面積の占める割合が１．６％未満である
   スパークプラグ。
2. 請求項１に記載のスパークプラグであって、
   前記領域内における前記金属の総断面積の占める割合が０．０１以上１．３％以下であるスパークプラグ。
3. 請求項１に記載のスパークプラグであって、
   前記領域内における前記金属の総断面積の占める割合が０．０２以上１．０％以下であるスパークプラグ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のスパークプラグであって、
   前記金属として、Ａｌ，Ｚｎ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｓｎ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｇ，Ｇａのうち、少なくとも１種類以上の金属を含むスパークプラグ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のスパークプラグであって、
   前記セラミック粉末が、Ｚｒ０₂を含むスパークプラグ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のスパークプラグであって、
   前記導電材がカーボンブラックであるスパークプラグ。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のスパークプラグであって、
   前記ガラスの組成に、Ｂ，Ｓｉ，Ｂａ，Ｃａ，Ｓｎ，Ｔｉのうち、少なくとも１種類以上を含み、前記ガラスの屈服点が３００℃以上７００℃未満であるスパークプラグ。

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